Квантовый прорыв: ученые зафиксировали интерференцию металлических наночастиц
Международная группа исследователей совершила фундаментальный сдвиг в понимании границ квантового мира. Ученым впервые удалось экспериментально подтвердить квантовую интерференцию искусственных металлических наноструктур, что открывает новые горизонты в изучении волновой природы материи.
История изучения волновых свойств материи прошла путь от элементарных частиц до сложных систем. После классических опытов с электронами и атомами физики научились наблюдать интерференцию органических молекул. В начале 2000-х группа Маркуса Арндта доказала квантовую природу фуллеренов C₆₀ — углеродных сфер, сопоставимых по форме с футбольными мячами. Со временем ученые перешли к еще более массивным комплексам, таким как порфирины весом до 25 000 атомных единиц массы (а.е.м.). Однако даже эти сложные молекулы имели строго определенную химическую структуру.
От молекул к твердому телу
Настоящим технологическим триумфом стала работа команды из университетов Вены и Дуйсбурга-Эссена. Исследователи сменили фокус с органического синтеза на металлические наночастицы натрия. В отличие от молекул с фиксированной формулой, эти объекты размером около 8 нм представляют собой фрагменты металла, состоящие из 5–10 тысяч атомов. Это аморфные или поликристаллические кластеры, удерживаемые металлической связью — по сути, крошечные модели макроскопических тел.
«Мы перешли от анализа индивидуальных молекул к изучению поведения материи в наноразмерном состоянии», — отмечает ведущий автор исследования Себастьян Педалино. По его словам, это качественно новый уровень проверки квантовых законов на объектах, лишенных жесткой молекулярной архитектуры.
Экспериментальная архитектура
В основе опыта лежит интерферометр ближнего поля, теоретическую базу для которого подготовил Клаус Хорнбергер. Установка использует лазерные дифракционные решетки для создания условий, в которых проявляется волновая природа частиц.
Реализация эксперимента потребовала решения ряда сложнейших инженерных задач:
- Термодинамическая стабилизация: создание ультрахолодных кластеров, защищенных от агрегации, для сохранения квантовой когерентности.
- Прецизионное управление: настройка ультрафиолетовых лазерных решеток с учетом специфической поляризуемости металла.
- Неразрушающее детектирование: анализ влияния внутренних степеней свободы наночастицы на ее общее квантовое состояние.
Результаты и «индекс макроскопичности»
Несмотря на внушительную массу в 170 000 а.е.м., наночастицы натрия продемонстрировали отчетливую интерференционную картину. Это прямое доказательство того, что в процессе движения через установку частицы находились в состоянии суперпозиции, фактически не имея единственной траектории.
Важнейшим итогом стало достижение рекордного показателя макроскопичности μ = 15.5. Этот комплексный параметр учитывает массу, размер и время жизни когерентного состояния системы. Текущий результат в десять раз превосходит показатели самых тяжелых молекул, исследованных ранее. Как поясняет профессор Маркус Арндт, рост индекса μ позволяет устанавливать все более жесткие рамки для альтернативных теорий, пытающихся объяснить переход от квантового микромира к классической физике.
Будущее квантовых сенсоров
Использованная установка обладает феноменальной чувствительностью к внешним воздействиям (до 10⁻²⁶ Ньютона). Это превращает ее в уникальный инструмент для поиска экзотических физических взаимодействий и даже кандидатов на роль темной материи. Успех эксперимента с натрием открывает путь к изучению квантовых свойств полупроводников и диэлектриков, приближая создание гибридных систем, где макроскопические объекты смогут выступать в роли высокоточных сенсоров или кубитов.
Больше актуальных новостей из мира науки читайте в моем Telegram-канале.
