Iedomājieties daļiņu, kas ir vīrusa lieluma, peld vakuumā un tiek noturēta tikai ar lāzera staru. Tagad iedomājieties, ka no kvantu viedokļa tā neatrodas vienā vietā, bet ir “izkliedēta” vairākās vietās vienlaikus. Tieši to būtībā ir panākusi fizikāļu grupa no Cīrihes Tehnoloģiju institūta ( ETH Zurich) un Fotonu zinātņu institūta (ICFO) Barselonā eksperimentā, kura rezultāti tika publicēti žurnālā Physical Review Letters 2025. gadā.
Saturs
Viņu sasniegums ir levitējošas nanodaļiņas koherences garuma kontrole — attālums, kurā tās viļņveida uzvedība paliek skaidra un izmērāma. Praksē viņiem izdevās izstiept šo “varbūtības vilni”, kas apraksta daļiņu, vairāk nekā trīs reizes salīdzinājumā ar tās parasto garumu, nezaudējot tās kvantu dabu, kas ir būtisks solis ceļā uz šo parādību izpēti arvien lielākos objektos.
Silīcija daļiņa, kas atrodas gaismā
Eksperiments tiek veikts ekstremāli vakuuma kamerā, kas atrodas ļoti stabilā laboratorijā. Tur pētnieki uztver silīcija dioksīda nanosfēru, izmantojot optiskās pincetes — fokusa lāzera veidu, kas darbojas kā gaismas “spilvens”, noturot daļiņu svārstīgā stāvoklī un praktiski izolējot to no apkārtējās vides.
Vispirms viņi atdzesē daļiņas kustību līdz enerģētiskam stāvoklim, kas ir ļoti tuvs minimālajam, ko pieļauj kvantu mehānika, un kas ir pazīstams kā pamata stāvoklis. Šajā brīdī daļiņa vairs neuzvedas kā klasiska vibrējoša sfēra, bet drīzāk kā sīks, ļoti šaurs viļņu pakete. Komanda pati atzīst, ka “lielāku objektu kvantu delokalizācija ir ārkārtīgi sarežģīta problēma”, jo pat gandrīz ideālos apstākļos koherence parasti ir ierobežota subatomāra mērogā.
Kā „izstiept” viļņu funkciju
Tālāk sākas vissarežģītākais. Fiziķi izmanto trīs posmu protokolu: dzesēšana, izplešanās un mērīšana. Atslēga slēpjas tajā, kā viņi modificē gaismas lamatas. Dažu mikrosekunžu laikā viņi strauji samazina lāzera intensitāti, tāpēc daļiņa kļūst mazāk saistīta, un tās atrašanās vieta kļūst neskaidrāka, kā to paredz kvantu mehānika.
Kā teikts oriģinālajā rakstā, kad notiek šī straujā izmaiņa, „atjaunojošā spēka samazinās, un tādējādi nanosfēra delokalizējas telpā”. Šis īsais intervāls ļauj viļņu funkcijai paplašināties, pirms pastiprināt lamatas un atkal „noķert” daļiņu, bet tagad jau ilgākā stāvoklī.
Šis process, kas tika atkārtots ar lielu piesardzību, ļāva viņiem trīskāršot sākotnējo koherences garumu. Komanda ziņo par garumiem, kas pārsniedz 70 pikometrus optimālos apstākļos, salīdzinot ar aptuveni 20 pikometriem pirms paplašināšanās. Tās nav lielas distances ikdienas izpratnē, bet tās pārkāpj nozīmīgu kvantu robežu, jo pārsniedz ierobežojumu, ko uzliek tā saucamā nulles kustība.
Vēl viens solis pretī “makroskopiskajam” kvantam
Būtībā viņi parādīja, ka viļņveida īpašības objektam, kas vairs nav vienkārši atoms vai molekula, var kontrolēti mainīt un pastiprināt. Saskaņā ar pašu zinātnisko anotāciju, šis darbs ir “solis uz delokalizācijas mēroga radīšanu, kas ir salīdzināms ar objekta izmēru” un uz “uzlabotu spēka noteikšanu, izmantojot kvantu metodes ar levitējošām daļiņām”.
Ja nākotnē būs iespējams izplatīt nanodaļiņu viļņu funkciju uz pašu sfēru, tad varēs veikt interferences eksperimentus, kas līdzīgi eksperimentiem ar dubulto spraugu, bet ar objektiem, kas sastāv no miljardiem atomiem. Tieši šeit tiks pārbaudīta robeža starp kvantu pasauli un pasauli, ko mēs redzam ar neapbruņotu aci.
Turklāt šī metode, vismaz uz papīra, ir mērogojama. Komanda norāda, ka, ja piemēro vairākus paplašināšanās impulsus, vienlaikus saglabājot zemu dekoherenci, delokalizācija var pieaugt eksponenciāli. Galvenais “ienaidnieks” šobrīd ir lāzera fotoni, kas izkliedējas ar nanodaļiņu — trokšņa avots, kuru grupa vēlas samazināt, apvienojot optisko lamatas ar elektriskajām lamatām ar ļoti zemu dekoherenci.
Kāda saistība tam ir ar mūsu ikdienas dzīvi?
Īstermiņā šāda veida eksperimenti attiecas uz fundamentālās fizikas jomu. Tie nemainīs jūsu rītdienas elektrības rēķinu un neatrisinās klimata krīzi. Taču tas veido pamatu jaunai paaudzei kvantu sensoru, kas spēj mērīt ārkārtīgi vājas spēkas un paātrinājumus, pateicoties vakuuma levitācijas un kvantu kustības vadības kombinācijai.
Šie sensori jau tiek pētīti, lai tos varētu izmantot dažādās jomās, sākot no tumšās matērijas meklēšanas līdz augstas precizitātes akselerometriem. Citi pētījumi ar levitējošām daļiņām, piemēram, Londonas Karaliskajā koledžā, arī ir vērsti uz vides monitoringa uzlabošanu un kaitīgo gāzu noteikšanu, izmantojot mazjaudas, augsti jutīgus ierīces, kas paver iespējas to izmantošanai gaisa kvalitātes monitoringā vai efektīvākā sadzīves elektronikas ierīcēs.
Šajā kontekstā kontrole pār to, kā nanodaļiņas viļņu funkcija “izstiepjas” un paliek koherenta, nav vienkārši laboratorijas triks. Tas ir vēl viens elements kvantu tehnoloģiju ekosistēmā, kas lielā mērā būs atkarīga no tā, cik labi mēs spēsim apgūt šīs hibrīdās sistēmas starp redzamo un neredzamo pasauli.
Oriģinālais pētījums ar nosaukumu „Kvantu delokalizācija levitējošā nanodaļiņā” tika publicēts žurnālā Physical Review Letters , un ar to var iepazīties Amerikas Fizikas biedrības tīmekļa vietnē, izmantojot šo oficiālo saiti uz zinātnisko rakstu Physical Review Letters .
