У квантовій фізиці є ще один важливий момент, пов’язаний із обертанням електронів: крихітний вбудований магнетизм цих частинок, ніби кожна частинка несе крихітну стрілку компаса.
Раніше було показано, що ці спіни були достатньо потужними, щоб штовхати окремі атоми в тому чи іншому напрямку. Але тепер дослідникам вдалося змінити щось більше.
Команда з японського Окінавського інституту науки і технологій (OIST) опублікувала нове дослідження в 2019 році. науковий прогрес Деталі того, як об’єкти розміром у сантиметр рухаються цими квантовими силами.
Це важливий крок вперед для науки на межі між квантовими (дуже малі масштаби) і класичними (все інше). Важливо те, що в експерименті брав участь досить великий об’єкт, щоб витримати гравітацію – фундаментальну силу, яка не завжди відповідає теорії квантової фізики.
«Било докладено багато зусиль, щоб перевірити, чи застосовна квантова механіка до об’єктів розміром більше кількох десятків нанометрів, але поки що безуспішно», — сказав фізик-теоретик Джейсон Твамлі.
«Тепер ми спостерігаємо класичну механічну реакцію на квантові сили на об’єкті, який на вісім-дев’ять порядків більший, ніж поточні експерименти з сучасною спіновою машиною».
Дослідники об’єднали кілька розумних варіантів експериментального дизайну, щоб отримати свої результати, починаючи з об’єкта розміром у сантиметр: графітової плити, розміщеної над левітуючою шаховою дошкою з магнітів.
До пластини підвішений 3-міліметровий шматок алмазу зі спеціальними атомними дефектами, які називаються центрами азотних вакансій (NV). Ці дефекти надають електронам алмазу кероване обертання, яким потім керує лазер. Потім використовується інший магніт, щоб перетворити ці обертання в рух.
Весь вузол важить приблизно 128 міліграмів (еквівалент кількох рисових зерен) і проштовхується приблизно на 100 нанометрів – приблизно одна тисячна розміру людської волосини. Небагато, але достатньо.
«Діаманти NV добре вивчені, і ними легко керувати», — каже фізик Дехі Кім.
«Це разом із тим фактом, що NV-центри мають одні з найдовших відомих часів когерентності, дозволяє їм підтримувати квантові суперпозиції при кімнатній температурі набагато довше, ніж інші системи, що робить їх особливо привабливими для створення руху або макроскопічних суперпозицій об’єктів у майбутніх дослідженнях».
Коли справа доходить до узгодження великого масштабу (наприклад, впливу гравітації на планети) з субатомним і квантовим, вчені часто намагаються почати з малого і просуватися вперед. Тут дослідницька група застосувала протилежний підхід: їхній пристрій не розміром з планету, але дуже великий з квантової точки зору.
«Ми знаходимося в протилежних таборах — від великих до малих», — каже фізик Аншуман Наяк.
«Подібно до того, як антимагнітна левітація може піднімати потяги на маглев, її також можна використовувати для левітації об’єктів шириною в сантиметр, навантажених алмазами, де гравітаційні ефекти можуть бути дуже сильними, але квантові ефекти ще не спостерігалися».
Як і у випадку з квантовими дослідженнями, це може здатися досить езотеричним і далеким для тих із нас, хто не є фізиком, але досягнення такої віхи допоможе нам відповісти на деякі з найглибших питань про Всесвіт, зокрема, чи дотримується гравітація квантових правил.
Варто пам’ятати, що рух тут класичний – важливо, що квантові ефекти викликають рух. Йдучи далі, дослідники сподіваються, що їхній метод допоможе перевести більші об’єкти в квантові стани, такі як суперпозиція, яка може ефективно займати два стани одночасно.
«Ми показали, що малі квантові ефекти викликають великі класичні реакції», — сказав Твамлі. «Це вже не питання того, чи можлива ця техніка, а те, як ми можемо покращити умови експерименту, щоб досягти квантової суперпозиції в рамках загальної теорії відносності Ейнштейна».
«Ми просуваємо стандарт від нанометрів до сантиметрів. Все, що нам потрібно, це ще один порядок величини, і ми нарешті зможемо спостерігати кота Шредінгера в реальному житті».
Дослідження було опубліковано в науковий прогрес.
Ця стаття була перевірена та відредагована Фіоною МакДональд. Хоча ми пишаємося своїми процесами, ми лише люди. Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, повідомте нас.