Физики впервые показали квантовое поведение металлических наночастиц

Исследователи из Венского университета и Университета Дуйсбурга-Эссена впервые продемонстрировали квантовое поведение металлических наночастиц, состоящих из тысяч атомов. Результаты их работы были опубликованы в журнале Nature.

В ходе эксперимента ученые исследовали кластеры натрия, размер которых составляет около 8 нанометров. Это значение сопоставимо с размерами современных транзисторов. Каждый из таких кластеров содержал от 5 до 10 тысяч атомов и имел массу более 170 тысяч атомных единиц, что превышает массу большинства белков.

Несмотря на сравнительно крупные размеры, частицы проявили свойства, характерные для квантового мира, ведя себя одновременно как волны и как частицы. «Интуитивно кажется, что такой крупный металлический объект должен вести себя как обычная классическая частица. Но интерференция показывает, что квантовая механика работает и на этом масштабе», — отметил ведущий автор исследования, аспирант Венского университета Себастьян Педалино.

Для проведения эксперимента физики охладили кластеры натрия и пропустили их через систему, состоящую из трех дифракционных решеток, созданных с помощью ультрафиолетовых лазеров. Первый лазер ввел частицы в состояние квантовой суперпозиции — состояние, при котором объект может находиться сразу в нескольких возможных положениях.

В дальнейшем разные «версии» траектории частицы наложились друг на друга, создавая интерференционную картину — чередование полос, характерное для волнового поведения. Физики сравнивают такое состояние с мысленным экспериментом Эрвина Шредингера о коте, который одновременно жив и мертв до момента наблюдения. В данном исследовании металлические наночастицы фактически оказались «одновременно здесь и не здесь».

Авторы работы подчеркивают, что эксперимент стал одним из самых строгих тестов квантовой механики для сравнительно крупных объектов. По словам ученых, достигнутый уровень проверки квантовой теории примерно на порядок превосходит предыдущие аналогичные эксперименты.

Кроме того, помимо фундаментальной физики, полученные результаты могут иметь и практическое применение. Разработанный интерферометр способен измерять чрезвычайно слабые силы порядка 10⁻²⁶ ньютона, что может быть полезно для создания сверхточных сенсоров и новых нанотехнологий.

Стоит отметить, что ранее российские физики также сделали шаг вперед, научившись управлять наноструктурами с помощью квантового вакуума.

Читайте также: