Физики из Венского университета и Университета Дуйсбурга-Эссена впервые продемонстрировали квантовое поведение металлических наночастиц, состоящих из тысяч атомов. Работа опубликована в журнале Nature.
Ученые исследовали кластеры натрия размером около 8 нанометров — это сопоставимо с современными транзисторами. Каждый такой «кусочек металла» содержал от 5 до 10 тысяч атомов и имел массу более 170 тысяч атомных единиц, что тяжелее большинства белков.
Несмотря на сравнительно крупный размер, частицы проявили свойства, характерные для квантового мира: они вели себя одновременно как волны и как частицы.
«Интуитивно кажется, что такой крупный металлический объект должен вести себя как обычная классическая частица. Но интерференция показывает, что квантовая механика работает и на этом масштабе», — рассказал ведущий автор работы, аспирант Венского университета Себастьян Педалино.
Для эксперимента физики охладили кластеры натрия и пропустили их через систему из трех дифракционных решеток, созданных ультрафиолетовыми лазерами. Первый лазер поместил частицы в состояние квантовой суперпозиции — это состояние, при котором объект может одновременно находиться сразу в нескольких возможных положениях.
Позже разные «версии» траектории частицы наложились друг на друга и создали интерференционную картину — чередование полос, характерное для волнового поведения.
Физики сравнивают такое состояние с мысленным экспериментом Эрвина Шредингера о коте, который одновременно жив и мертв до момента наблюдения. В новом исследовании металлические наночастицы фактически оказались «одновременно здесь и не здесь».
Авторы отмечают, что эксперимент стал одним из самых строгих тестов квантовой механики для сравнительно крупных объектов. По словам ученых, достигнутый уровень проверки квантовой теории примерно на порядок превосходит предыдущие подобные эксперименты.
Кроме фундаментальной физики, технология может найти и практическое применение. Разработанный интерферометр способен измерять чрезвычайно слабые силы порядка 10⁻²⁶ ньютона, что потенциально пригодится для создания сверхточных сенсоров и новых нанотехнологий.
Ранее российские физики научились управлять наноструктурами с помощью квантового вакуума.