Представьте стрелку компаса, которая отклоняется меньше чем на ширину бактерии — и это уже считается максимально возможной точностью, дальше физика просто не позволяет. Именно такого результата добились авторы работы. Они уперлись в фундаментальный предел природы, за которым никакого «точнее» не существует.
Исследователи из Венского университета совместно с коллегами из TU Wien и Ульмского университета впервые охладили вращающуюся наночастицу до квантового основного состояния сразу по двум осям. Результаты опубликованы в Nature Physics.
Крошечная стеклянная «гантель» из двух шариков диоксида кремния диаметром 150 нм каждый удерживалась в ловушке лазерного луча в условиях сверхвысокого вакуума. Охладив еt почти до абсолютного нуля, до десятков мкК, исследователи добились того, что ориентация частицы в пространстве стала принципиально размытой. Погрешность составила около 20 мкрад: кончик «гантели» отклонялся меньше чем на 1/100 диаметра атома.
Квантовая механика исключает такие условия, при которых частица могла бы быть абсолютно неподвижной. Даже при нулевой температуре она сохраняет минимальный запас энергии — нулевое колебание, предсказанное принципом неопределенности Гейзенберга. Достичь этого предела для прямолинейного движения удавалось и прежде, однако заморозить вращение сразу в двух измерениях до той же границы задача принципиально иного уровня сложности.
Для охлаждения использовался метод когерентного рассеяния. Частица находилась в световом поле мощностью около 100 МВт/см² и рассеивала фотоны в оптический резонатор — специальную камеру из зеркал, удерживающую свет. Каждый такой фотон уносил один квант вращательной энергии, и постепенно движение замирало до квантового минимума. Сигнал с резонатора в реальном времени отслеживала электроника, подстраивая параметры охлаждения. Объект эксперимента содержит около 100 млн атомов — гигант по меркам квантовой физики, ведь обычно работают с единичными частицами. Тем показательнее, что столь массивное тело удалось перевести в квантовый режим.
Открытие может применяться в разных областях. Если отключить лазерную ловушку, частица начнет вращаться сразу во всех направлениях — это называется суперпозиция (когда объект одновременно находится в нескольких состояниях). Через определенное время она сама вернется в исходное положение, что позволяет проверять законы квантовой физики на относительно крупных объектах. Кроме того, такая сверхохлажденная частица может работать как очень точный датчик вращения, что перспективно для навигации без GPS и изучения свойств новых материалов.
Ранее мы писали о том, что физики проверили законы квантовой механики, создав рекордную суперпозицию атомов.