Технологии лазерного охлаждения позволят раздвинуть пределы квантовой физики до уровня нано-, микро- и макрообъектов - «Наука и технологии»

Группа исследователей из Университетского Колледжа Лондона (University College London, UCL) разработала новую технологию, которая в будущем заставит работать эффекты квантовой механики применительно к объектам больших размеров, нежели чем это удавалось ранее. Ученые "подвесили" в вакууме при помощи электрического поля стеклянные наночастицы, размером около 400 нанометров и затем, при помощи света лазеров охладили их до температуры в несколько градусов выше абсолютного нуля. Все это вместе являются ключевыми предпосылками к тому, чтобы заставить объект выйти из области обычной физики и переместиться в область подчинения законам квантовой механики.

Явления квантовой механики в большинстве случаев являются странными и непостижимыми. К этому можно отнести состояние суперпозиции, в котором положение, энергия, движение или другой параметр частицы может находиться одновременно в двух или большем количестве состояний. К этому же относится и квантовая запутанность, невидимое загадочное влияние, которое связывает квантовые частицы и синхронизирует их состояние независимо от разделяющего их расстояния. Однако, все эффекты квантовой механики проявляются лишь на самом маленьком уровне, на уровне элементарных частиц, атомов и небольших молекул.

"Крошечные частицы, такие как атомы, ведут себя вполне предсказуемо, так, как это определяется законами квантовой механики" - рассказывает Джеймс Миллен (James Millen), - "Большие объекты, которые мы видим вокруг себя подчиняются законам обычной классической физики. Однако, нам пока не удалось определить четкую границу перехода от квантовой области к области обычной физики и наоборот. Самые большие объекты, которые демонстрировали квантовое поведение, являлись молекулами, состоящими из 800 атомов, мы же почти сделали это же самое с частицами, в составе которых находятся миллиарды атомов. Это, конечно, очень мало по человеческим меркам, но это просто огромно для уровня квантовой механики".

Перевод любых объектов в квантовое состояние требует их охлаждения до крайне низкой температуры, до температуры, приближающейся к отметке абсолютного нуля, туда, где прекращается тепловое движение атомов и других частиц. Кроме этого, охлаждаемая частица должна находиться в вакууме и не соприкасаться с другими частицами, которые могут ей передать часть своей энергии и разрушить ее квантовое состояние.

В своих экспериментах ученые использовали электрическое поле, которое приподняло стеклянную наночастицу. Манипуляции с этим электрическим полем позволили поместить частицу в центр области, в которой фокусируются лучи света лазеров с точно откалиброванной длинной волны. Воздействие света с определенными параметрами вызвало вместо нагрева охлаждение частицы до сверхнизкой температуры.

"Уникальность нашего решения заключается в объединении технологии лазерного охлаждения с электрическим полем, которое позволяет удерживать частицы большого размера и массы, частицы которые невозможно поднять и зафиксировать при помощи луча лазерного света как атомы" - пишут ученые, - "Нам удалось наблюдать некоторые первые проявления квантового поведения стеклянной частицы. Но для устойчивого перехода в квантовое состояние ее требуется охладить еще на несколько градусов. И это мы собираемся сделать в ближайшее время при помощи новых зеркал и очень точных датчиков движения, способных зарегистрировать даже самое малейшее колебание частицы".

Следует отметить, что частицы, использовавшиеся в данном эксперименте, достаточно велики и массивны из-за чего они достаточно хорошо подвергаются влиянию эффектов гравитации. И если такие наночастицы удастся перевести в стабильное квантовое состояние, то они смогут стать неоценимым инструментом для изучения роли гравитации в квантовой механике.