Обычно считается, что квантовая механика – это о микромире. В обычной ситуации большие конгломераты атомов и молекул (собственно, заметное количество какого-либо вещества) не могут находиться в квантовом состоянии. В качестве параметра разделения выступает, например, температура Дебая, сильно выше которой физические свойства вещества описываются в рамках классической физики, а сильно ниже – в рамках квантовой. В частности, для железа температура Дебая составляет 191С, а значит, свойства железа при комнатной температуре во многом имеют квантовую природу. Температура Дебая льда составляет -81С, и свойства льда на вашей улице в основном классические. Для установления квантового контроля над твердым телом необходимо изолировать исследуемый объект от воздействий окружающей среды и удалить из него всю тепловую энергию, охладив до очень близких к абсолютному нулю (-273,15С) температур, когда квантовая механика доминирует над движением частицы.
Тем интереснее исследование группы из Австрии, где манипуляции над стеклянными наночастицами посредством лазерного луча привели к их левитации при комнатной температуре и в квантовом режиме.
Уже давно понятно, что квантовые свойства отдельных атомов можно изменять при помощи лазерного излучения. Даже большие облака из сотен миллионов атомов могут быть втянуты в квантовый режим, в результате чего получаются макроскопические квантовые газы или конденсаты Бозе-Эйнштейна, широко сегодня используемые в квантовых технологиях. Следующий уровень сложности заключается в квантовой манипуляции твердотельными объектами. Принципиальное отличие твердого тела в том, что его плотность в миллиард раз выше, а все его атомы движутся вместе с его центром масс. В качестве твердого тела австрийские исследователи используют стеклянную бусину из нескольких сотен миллионов атомов, примерно в 1000 раз меньшую, чем песчинка.
Изоляция от окружающей среды достигается путем оптического захвата частицы в плотно сфокусированном лазерном луче в высоком вакууме, хитрости, которая была изобретена нобелевским лауреатом Артуром Эшкиным много десятилетий назад. А тепловая энергия удаляется с помощью метода лазерного охлаждения, впервые предложенного Гельмутом Ритчем и его соавтором Владаном Вулетичем, и независимо лауреатом Нобелевской премии Стивеном Чу. Суть процесса в следующем. Наночастица является рассеивателем света во все направления. Если эту частицу поместить в оптический резонатор, то часть этого света может храниться между его зеркалами. В результате фотоны будут рассеиваться внутрь резонатора. Если использовать свет, чья фотонная энергия будет меньше необходимой, то наночастицам придется отдавать часть кинетической энергии, чтобы фотоны могли рассеяться внутри резонатора. А уменьшение кинетической энергии частицы приводит к ее охлаждению.
В итоге эксперимента по левитации, из-за нагрева лазером поверхность стеклянной бусины оказалась очень горячей, около 300С. Но при этом движение центра масс частицы очень холодное, чуть выше абсолютного нуля. Таким образом, горячая в целом частица движется, подчиняясь квантовым законам.
U. Delić el al., "Cooling of a levitated nanoparticle to the motional quantum ground state," Science (2020)