Квантова фізика зрушила об’єкт розміром із сантиметр: вчені наблизилися до експерименту з котом Шредінгера

Квантові ефекти зазвичай проявляються у світі атомів і найдрібніших частинок. Але японські фізики змогли використати квантову властивість електронів, щоб зрушити конструкцію завширшки в сантиметр. Це не просто мікроскопічний рух — експеримент може допомогти з’ясувати, де закінчується квантовий світ і починається звична нам реальність.

Дослідники з японського Окінавського інституту науки й технологій (OIST) продемонстрували, як крихітні магнітні властивості електронів можуть спричинити рух значно більшого об’єкта.

Установка важила приблизно 128 міліграмів — це лише кілька рисових зернин. Під час експерименту її вдалося зрушити приблизно на 100 нанометрів. Така відстань мізерна для людського ока, але сам принцип має велике значення для квантової фізики.

Результати дослідження опублікували в журналі Science Advances.

Як електрони змусили рухатися великий об’єкт

Ключ до експерименту — спін електрона. Це внутрішня квантова властивість частинки, пов’язана з її магнітним моментом. Для наочності його іноді порівнюють із крихітною магнітною стрілкою, хоча насправді спін не є звичайним обертанням кульки.

Раніше сили, пов’язані з керуванням спінами, вдавалося використовувати переважно для впливу на окремі атоми або дуже маленькі механічні системи. Цього разу команда поставила значно масштабніше завдання: перетворити квантовий ефект на вимірюваний рух об’єкта сантиметрового розміру.

Для цього вчені створили незвичайну конструкцію. Її основою стала графітова пластина, яку утримували над шахівницею з магнітів завдяки магнітній левітації. До пластини підвісили триміліметровий алмаз із особливими атомними дефектами — так званими NV-центрами, де атом азоту сусідить із вакансією, тобто відсутнім атомом вуглецю.

Ці дефекти мають електрони зі спінами, якими можна керувати за допомогою лазерного світла. Потім дослідники використали ще один магніт, щоб перетворити зміну стану спінів на механічну силу. У результаті квантовий вплив спричинив рух усієї конструкції.

Чому 100 нанометрів — це важливо

На перший погляд, зрушити об’єкт лише на 100 нанометрів — не надто вражаюче досягнення. Це приблизно одна десята тисячної міліметра. Але головне тут не відстань, а те, наскільки великим був об’єкт порівняно з квантовими системами, якими зазвичай керують у подібних експериментах.

У квантовому світі частинки можуть перебувати в суперпозиції — стані, в якому система описується комбінацією кількох можливих станів одночасно. Для великих об’єктів спостерігати такі явища набагато складніше: взаємодія з навколишнім середовищем швидко руйнує крихкі квантові стани.

Тому фізики намагаються поступово розширювати межі експериментів — від окремих частинок до дедалі більших механічних систем.

Команда OIST обрала незвичний підхід: замість того щоб починати з крихітного об’єкта й поступово збільшувати його, дослідники використали відносно велику конструкцію, левітовану магнітами, а потім вплинули на неї за допомогою керованих квантових спінів.

До чого тут гравітація Ейнштейна

Цей експеримент цікавий ще й тим, що установка достатньо велика, аби на неї помітно діяла гравітація.

Квантова механіка надзвичайно успішно описує поведінку атомів і субатомних частинок. Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна пояснює гравітацію та поведінку великих космічних об’єктів. Проте об’єднати ці дві теорії в єдину узгоджену картину досі не вдалося.

Щоб просунутися в цьому напрямку, фізикам потрібно перевіряти, чи зберігаються квантові властивості в дедалі більших системах, де вже не можна ігнорувати гравітацію.

Важливо розуміти: у цьому експерименті сам рух об’єкта був класичним, а квантовим був механізм, який його спричинив. Дослідники не продемонстрували, що сантиметрова пластина перебувала в суперпозиції двох положень. Однак результати показують, що керовані квантові ефекти можна використовувати для впливу на механічну систему значно більшого масштабу.

Наступна мета — «кіт Шредінгера» в реальному експерименті

Особливу увагу вчені приділяють NV-центрам у діаманті. Вони добре вивчені, ними відносно легко керувати, а їхні квантові стани можуть зберігати узгодженість навіть за кімнатної температури довше, ніж у багатьох інших системах. Це робить їх перспективним інструментом для майбутніх експериментів, у яких дослідники спробують перевести рух великих об’єктів у квантові стани.

Одна з цілей — створити суперпозицію механічного руху, коли об’єкт квантово описується як такий, що перебуває в кількох можливих положеннях одночасно.

Саме тут виникає асоціація з відомим уявним експериментом «кота Шредінгера». У ньому кіт у закритій коробці описується як суперпозиція двох станів — живого й мертвого — до моменту вимірювання. У реальних фізичних експериментах ідеться не про кота, а про контрольовані квантові стани частинок або механічних систем.

До демонстрації суперпозиції сантиметрового об’єкта ще потрібно пройти значний шлях. Проте новий підхід може допомогти наблизитися до такого експерименту.

Головне досягнення японських фізиків — не те, що вони зрушили предмет на крихітну відстань, а те, що змогли перетворити керований квантовий ефект на рух системи макроскопічного масштабу. Наступне завдання — навчитися не лише рухати такі об’єкти квантовими силами, а й утримувати їх у справді незвичайних квантових станах.