Квантовая механика предсказывает, что, помимо корпускулярного поведения, частицы любых размеров могут проявлять и волновые свойства. Эти свойства можно представить с помощью волновой функции — математического описания квантовых систем, описывающего движение частицы и вероятность её нахождения в определённом положении.
Хотя физикам удалось рассчитать волновые функции многих малых частиц, расчёт волновых функций более крупных частиц до сих пор представлял собой сложную задачу. Это связано главным образом с тем, что волновое поведение крупных частиц более подвержено разрушению нежелательными взаимодействиями, чем их классическое корпускулярное поведение.
Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Барселонского института фотонных наук недавно представили новый метод, который может помочь описать волновую функцию более крупных частиц. Предлагаемый ими подход, изложенный в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters , использует метод, известный как квантовое сжатие, для увеличения длины когерентности — расстояния, на котором волновое поведение оптически левитирующей наночастицы остаётся чётко определённым.
«Одним из самых прекрасных проявлений квантовой физики является интерференция материи и волн », — рассказал Массимилиано Росси, первый автор статьи. «Она показывает, что массивные объекты, которые мы обычно ожидаем вести себя как частицы, также могут вести себя как волны — как рябь на воде. Теоретически это волнообразное поведение применимо не только к атомам, но и к гораздо более крупным и «обычным» объектам».
Наночастицы — прекрасный пример: они повсюду в природе, по размеру схожи с вирусами, и мы воспринимаем их как крошечные пылинки. Но если взять отдельную наночастицу, максимально изолировать её от окружающей среды и контролировать её движение, квантовая механика предсказывает, что она также должна демонстрировать интерференцию.
Росси и его коллеги, а также другие физики, занимающиеся оптомеханической левитацией частиц, уже много лет пытаются экспериментально реализовать эту идею. Однако до сих пор наблюдение интерференции в отдельных наночастицах оказалось сложной задачей.
«Ключевым достижением, достигнутым несколько лет назад, стало охлаждение наночастицы до её основного квантового состояния, что означает её помещение в чётко определённый волновой пакет движения», — сказал Росси. «Проблема в том, что этот волновой пакет очень узкий — всего несколько пикометров. Чтобы наблюдать интерференцию, потребуется дифракционная решётка такого же крошечного размера, которую сложно, если не невозможно, построить. Это привело к идее, лежащей в основе данной работы: вместо того, чтобы делать решётку меньшего размера, почему бы не увеличить волновой пакет?»
Основной целью недавнего исследования группы была попытка увеличить квантовый волновой пакет движения наночастицы. Если бы им удалось достаточно расширить этот волновой пакет, это могло бы открыть путь для экспериментов по интерференции с оптически левитирующими наночастицами.
«Основной принцип прост и взят прямо из учебников», — пояснил Росси. «В гармоническом потенциале, подобном потенциалу оптического пинцета, гауссов волновой пакет остаётся плотно заключённым (в нашем случае около 22:00). Но если резко снять потенциал, произойдёт делокализация: волновой пакет расплывётся со временем, увеличивая свой „размер“. Конечно, на практике мы не можем просто выключить ловушку, потому что тогда наночастица просто упадёт».
Чтобы преодолеть эту проблему, Росси и его коллеги временно ослабили используемую оптическую ловушку. В результате они обнаружили, что волновой пакет частицы первоначально расширяется, но затем снова сжимается ловушкой, возвращаясь к своему первоначальному размеру.
«Суть в том, чтобы вернуться в плотную ловушку до того, как это произойдёт», — сказал Росси. «Таким образом, волновой пакет сохраняет свой расширенный размер, обеспечивая большую делокализацию. С помощью этого метода нам удалось увеличить делокализацию наночастицы до 70 пм — более чем вдвое больше длины когерентности основного состояния. В абсолютном выражении это всё ещё мало для дифракционных экспериментов, но это доказывает, что идея работает».
Используя новый метод, исследователи смогли выйти за пределы узкого предела основного состояния, зафиксированного в предыдущих экспериментах, и активно увеличивать квантовый волновой пакет наночастицы контролируемым образом. В принципе, их подход может быть масштабирован, что в конечном итоге позволит проводить интерференционные эксперименты с массивными объектами.
«Если мы повторим этот процесс с несколькими импульсами, делокализация может расти экспоненциально — при условии, что декогеренция будет поддерживаться на низком уровне», — сказал Росси. «Это делает реальным достижение в будущем длины когерентности, сравнимой с собственным размером наночастицы. Достижение этого станет важным шагом на пути к интерференции материи и волн с массивными объектами».
Недавняя работа Росси и его коллег может вскоре вдохновить других физиков на разработку аналогичных подходов для реализации квантовой делокализации левитирующих частиц. В рамках своих следующих исследований исследователи надеются разработать эффективные стратегии подавления декогеренции в используемой ими оптической системе.
«Сейчас основным источником декогеренции являются фотоны, рассеиваемые оптическим пинцетом», — добавил Росси. «Чтобы преодолеть это, в нашей группе мы разрабатываем гибридный подход к левитации: мы объединим оптический пинцет с электрической квадрупольной ловушкой, аналогичной тем, что используются для ионов».
«Такие ловушки могут обеспечить удержание с чрезвычайно низкой скоростью декогеренции — гораздо ниже, чем это возможно при использовании только оптического пинцета. Это позволит нам ещё больше продвинуть делокализацию, в конечном итоге стремясь к квантовой интерференции с действительно макроскопическими объектами».
