Японские физики впервые смогли заставить объект сантиметрового размера двигаться под действием квантовых спинов электронов. Раньше силы, возникающей благодаря этому квантовому свойству частиц, хватало лишь для воздействия на отдельные атомы. Теперь исследователям удалось сдвинуть объект, масса которого в сотни миллионов раз превышает массу систем, использовавшихся в предыдущих подобных экспериментах.
Достижение принадлежит учёным из Окинавского института науки и технологий в Японии. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Science Advances. Эксперимент может стать важным шагом к изучению квантовых явлений в объектах, размеры которых значительно превышают привычные масштабы квантовой физики.
В основе открытия лежит спин электрона — его фундаментальное квантовое свойство, связанное с магнетизмом. Упрощённо электрон можно представить как частицу, обладающую собственной крошечной магнитной стрелкой. Управляя такими спинами, учёные способны создавать силы, которые воздействуют на окружающую материю.
До сих пор подобные эффекты удавалось использовать преимущественно в микроскопических системах. Но исследователи давно пытаются выяснить, могут ли квантовые законы проявляться в поведении гораздо более крупных объектов, на которые заметно действует гравитация.
«Предпринималось множество попыток проверить, справедлива ли квантовая механика для объектов размером более нескольких десятков нанометров, но пока безуспешно», — объясняет физик-теоретик Джейсон Твамли.
В новом эксперименте учёные решили подойти к проблеме необычным способом. Вместо постепенного увеличения размеров квантовой системы они сразу создали сравнительно крупную конструкцию и попытались заставить её двигаться под действием квантовой силы.
Основой установки стала графитовая пластина сантиметрового размера. Её разместили над системой магнитов, расположенных в шахматном порядке. Благодаря магнитной левитации пластина удерживалась в воздухе без механической опоры.
К пластине прикрепили алмаз размером три миллиметра. Внутри него находились особые дефекты кристаллической структуры, известные как азотно-вакансионные центры. Их особенность заключается в наличии электронов, спинами которых можно управлять.
Для этого исследователи использовали лазерное излучение. Свет позволял изменять состояние электронных спинов внутри алмаза, а дополнительный магнит обеспечивал преобразование возникающего квантового воздействия в механическое движение.
Общая масса конструкции составляла приблизительно 128 миллиграммов — примерно столько же, сколько весят несколько рисовых зёрен. Под действием управляемых электронных спинов исследователям удалось сдвинуть её примерно на 100 нанометров.
На первый взгляд результат кажется незначительным. Сто нанометров — приблизительно одна тысячная толщины человеческого волоса. Однако принципиально важно не само расстояние, а то, что движение сравнительно массивного объекта удалось вызвать с помощью квантового эффекта.
По словам Твамли, исследователи впервые зарегистрировали обычную механическую реакцию на квантовую силу у объекта, масса которого на восемь-девять порядков превышает массу систем, применявшихся в наиболее передовых экспериментах по взаимодействию спинов и механического движения.
Особую роль в достижении сыграл выбор алмаза с азотно-вакансионными центрами. Подобные структуры хорошо изучены и относительно легко поддаются управлению.
Кроме того, они способны сохранять квантовые состояния значительно дольше многих других систем даже при комнатной температуре. Это свойство особенно важно для дальнейших экспериментов.
«Алмазы с азотно-вакансионными центрами хорошо изучены и просты в управлении», — рассказывает физик Дэхи Ким.
Он отмечает, что такие центры обладают одним из наиболее продолжительных известных времён когерентности. Это означает, что они способны сравнительно долго сохранять квантовую суперпозицию — особое состояние, при котором система может одновременно находиться в нескольких состояниях.
По мнению исследователей, в будущем это свойство может помочь создать суперпозицию уже не только отдельных электронных спинов, но и движения значительно более крупных объектов.
Проблема объединения квантовой механики с гравитацией остаётся одной из фундаментальных задач современной физики. Квантовые законы прекрасно описывают поведение мельчайших частиц, тогда как гравитация играет определяющую роль в движении массивных тел, от обычных предметов до планет.
Учёные пытаются понять, как эти два описания природы связаны между собой и распространяются ли квантовые закономерности на объекты, для которых гравитационное воздействие уже нельзя игнорировать.
Обычно исследователи начинают с чрезвычайно маленьких систем и постепенно увеличивают их размеры. Однако японская команда выбрала противоположное направление.
«Мы принадлежим к противоположному лагерю — движемся от большого к малому», — объясняет физик Аншуман Наяк.
Он сравнивает использованный подход с принципом магнитной левитации, применяемым в поездах на магнитной подушке. Подобно тому как магнитные силы позволяют поднимать тяжёлые транспортные средства, диамагнитная левитация может удерживать сантиметровые объекты с прикреплёнными алмазами.
Это позволяет проводить эксперименты с системами, в которых гравитация играет существенную роль, но квантовые эффекты до сих пор не удавалось наблюдать подобным образом.
При этом исследователи подчёркивают важное ограничение своего достижения. Само движение графитовой пластины и алмаза было классическим, то есть его можно описать обычной механикой. Квантовым являлся эффект, который вызвал это движение.
Иными словами, учёные пока не продемонстрировали, что весь сантиметровый объект находился в квантовой суперпозиции. Они лишь показали, что квантовая сила способна вызвать измеримое движение настолько крупной системы.
Но именно этот результат открывает возможности для следующего этапа исследований. Теперь физики намерены усовершенствовать экспериментальную установку и попытаться перевести движение более массивных объектов в настоящее квантовое состояние.
В случае успеха это позволит исследовать квантовую суперпозицию в условиях, где существенную роль играет гравитация, и приблизиться к проверке фундаментальных представлений о её природе.
«Мы продемонстрировали сильную классическую реакцию на небольшой квантовый эффект», — говорит Твамли.
По его словам, теперь вопрос заключается уже не в том, возможно ли технически осуществить подобное воздействие, а в том, как улучшить условия эксперимента, чтобы добиться квантовой суперпозиции в области, где необходимо учитывать общую теорию относительности Эйнштейна.
Конечная цель учёных связана с одной из самых известных мысленных моделей квантовой физики — котом Шрёдингера. Она иллюстрирует парадоксальную возможность существования системы сразу в двух состояниях до момента измерения.
Исследователи надеются приблизиться к созданию подобного состояния для относительно крупных физических объектов, а не только для отдельных частиц.
«Мы поднимаем планку от нанометров до сантиметров. Нам не хватает всего ещё одного порядка величины, и мы наконец сможем наблюдать кота Шрёдингера в реальной жизни», — заключает Твамли.
Хотя до демонстрации квантовой суперпозиции сантиметрового объекта ещё далеко, новый эксперимент показал, что квантовые силы способны проявляться на гораздо больших масштабах, чем удавалось продемонстрировать прежде. Это создаёт основу для исследований границы между квантовым миром и привычной нам физической реальностью.
