Твердая материя — лишь иллюзия. Кусок металла из 10 000 атомов доказал, что может быть «здесь и не здесь» одновременно

Учёные из Венского университета и Университета Дуйсбурга–Эссена показали, что даже металлические наночастицы, состоящие из тысяч атомов натрия, продолжают подчиняться законам квантовой механики. Эксперимент вышел далеко за привычные рамки квантовой физики и затронул область, которую раньше считали почти недоступной для таких эффектов.

Речь идёт уже не об отдельных атомах и не о простых молекулах. В работе использовались кластеры размером около 8 нанометров — по масштабам это уже объекты, сопоставимые с элементами современной микроэлектроники, например с деталями транзисторов. Каждый такой кластер состоял из 5–10 тысяч атомов натрия и имел массу более 170 000 атомных единиц, что делает его тяжелее большинства белков. По интуитивным представлениям, такие частицы должны вести себя как обычные «классические» объекты — иметь чёткое положение в пространстве и двигаться по предсказуемой траектории.

Однако эксперимент показал обратное. Команда под руководством Маркуса Арндта и Штефана Герлиха впервые зафиксировала квантовую интерференцию у металлических наночастиц. Это означает, что они проявляют волновые свойства, характерные для квантовых объектов. Иными словами, такие кластеры ведут себя не только как частицы, но и как волны, образуя интерференционные картины — характерные полосы, возникающие при наложении разных квантовых состояний.

Для эксперимента исследователи создали поток холодных натриевых кластеров и пропустили его через систему из 3 дифракционных решёток, сформированных ультрафиолетовым лазером. Первая лазерная решётка очень точно фиксировала положение каждой частицы и переводила её в квантовое состояние, при котором она одновременно может двигаться по нескольким возможным траекториям. Далее эти траектории снова сходились, и в результате возникала интерференционная картина, сформированная уже не светом, а металлическими частицами.

Физический смысл этого эффекта в том, что во время полёта через установку частицы не имели одного определённого положения. Их квантовое «размытие» в пространстве оказалось гораздо больше их реального физического размера. В квантовой физике такие состояния называют состояниями типа «кота Шрёдингера» — когда объект находится сразу в нескольких возможных состояниях одновременно. В данном случае это буквально означает, что один и тот же кусочек металла как бы одновременно находится здесь и не здесь.

Теоретическую основу эксперимента составляют многолетние исследования интерферометрии ближнего поля, которыми занимался Клаус Хорнбергер из Университета Дуйсбурга–Эссена, один из соавторов работы. Для сравнения подобных экспериментов физики используют специальный показатель — макроскопичность. Он отражает, насколько крупные объекты вовлечены в проверку квантовых эффектов и насколько жёстко эксперимент ограничивает альтернативные, неквантовые теории.

В данном случае значение макроскопичности составило μ = 15,5 — примерно в 10 раз выше всех предыдущих экспериментов такого рода. Для сравнения: чтобы получить сопоставимую проверку квантовой механики на электронах, потребовалось бы сохранять квантовую согласованность их состояний в течение примерно 100 миллионов лет. В случае металлических наночастиц всё это происходило за доли секунды.

Экспериментальная установка оказалась полезной не только для фундаментальной физики. Она работает и как сверхчувствительный датчик сил, способный фиксировать воздействия порядка 10⁻²⁶ ньютона. Это уровни, которые выходят далеко за рамки обычных измерительных технологий, и в будущем чувствительность системы планируют ещё повысить.

В дальнейшем исследователи собираются работать с ещё более крупными объектами и другими материалами. Их цель — шаг за шагом продвигать квантовую механику в область всё более привычных по человеческим меркам объектов и проверять, где именно проходит граница между квантовым и классическим миром.