Управление волновым пакетом наночастицы для интерференции материи

Квантовая механика, на протяжении почти века формирующая наше понимание наномира, утверждает, что все материальные объекты, независимо от их размера, обладают двойственной природой — они могут вести себя как частицы и как волны. Это фундаментальное положение особенно ярко проявляется в явлении интерференции материи, когда даже массивные объекты демонстрируют волновые свойства, подобно световым волнам, проходящим через дифракционную решетку. Однако по мере увеличения размера объекта его волновые характеристики становятся все труднее наблюдать, поскольку они быстро разрушаются из-за взаимодействий с окружающей средой — процесса, известного как декогеренция. Недавнее исследование, проведенное учеными из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Барселонского института фотонных наук, открывает новые перспективы в изучении квантовых свойств крупных частиц, предлагая инновационный подход к увеличению их волновой функции.

Центральной задачей, с которой сталкиваются исследователи, является экспериментальная реализация интерференции для отдельных наночастиц — объектов, по размеру сопоставимых с вирусами и воспринимаемых в повседневной жизни как классические пылинки. Квантовая механика, однако, предсказывает, что при достаточной изоляции от внешних воздействий такие частицы могут проявлять волновые свойства. Для этого необходимо не только охладить частицу до ее основного квантового состояния, но и расширить ее волновой пакет — область пространства, в которой с определенной вероятностью может находиться частица. Проблема заключается в том, что после охлаждения волновой пакет оказывается чрезвычайно узким, порядка нескольких пикометров, что делает невозможным проведение интерференционных экспериментов, требующих более широкой делокализации.

Одним из самых прекрасных проявлений квантовой физики является интерференция материи и волн. Она показывает, что массивные объекты, которые обычно ведут 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.

Исследователи под руководством Массимилиано Росси предложили метод, позволяющий активно увеличивать размер квантового волнового пакета без потери контроля над частицей. Их подход основан на явлении, известном как квантовое сжатие, и использует временное ослабление оптической ловушки — устройства, в котором частица удерживается с помощью лазерного света. В обычных условиях частица в оптическом пинцете колеблется в гармоническом потенциале, и ее волновой пакет остается компактным. Если же потенциал резко ослабить, частица начинает «расплываться» в пространстве — ее волновая функция расширяется, увеличивая степень делокализации. Однако полное выключение ловушки привело бы к потере частицы, поэтому команда разработала более тонкий подход: кратковременное ослабление ловушки с последующим ее восстановлением до того, как волновой пакет успеет сжаться обратно.

Этот метод позволил исследователям достичь увеличения делокализации наночастицы до 70 пикометров — более чем в два раза превысив длину когерентности, характерную для основного состояния. Хотя этот размер по-прежнему мал для прямых интерференционных экспериментов, результат служит важным доказательством концепции: волновой пакет массивной частицы можно контролируемо расширять, не теряя квантовой когерентности. Ученые отмечают, что в принципе этот процесс можно масштабировать — повторяя операцию с несколькими импульсами ослабления, можно добиться экспоненциального роста делокализации, при условии, что декогеренция будет эффективно подавлена.

Одним из главных препятствий на пути к наблюдению квантовой интерференции в крупных объектах остается рассеяние фотонов оптического пинцета, которое вызывает декогеренцию. Чтобы преодолеть это, исследователи планируют перейти к гибридной системе левитации, сочетающей оптический пинцет с электрической квадрупольной ловушкой — технологией, уже хорошо зарекомендовавшей себя в работе с ионами. Такие ловушки способны удерживать частицы с гораздо меньшей скоростью декогеренции, поскольку не требуют постоянного интенсивного лазерного облучения. Это открывает путь к дальнейшему увеличению длины когерентности, вплоть до масштабов, сравнимых с физическими размерами самой наночастицы.

Достижение такой степени делокализации стало бы важнейшим шагом на пути к демонстрации интерференции материи для макроскопических объектов — эксперименту, который долгое время считался пределом возможного в квантовой физике. Подобные опыты не только подтвердили бы универсальность квантовых законов, но и могли бы помочь в поиске границ между квантовым и классическим мирами, а также в проверке теорий, предсказывающих модификации квантовой механики на больших масштабах.

Таким образом, работа ученых представляет собой значительный прорыв в области квантовой оптомеханики. В отличие от предыдущих исследований, сосредоточенных на охлаждении и стабилизации частиц в основном состоянии, новый подход фокусируется на активном управлении квантовыми свойствами системы. Он демонстрирует, что даже для относительно крупных объектов можно создавать условия, в которых проявляются чисто квантовые эффекты. Этот метод может вдохновить другие научные группы на разработку схожих стратегий, что в перспективе приведет к появлению новых экспериментальных платформ для изучения квантовой природы материи. В конечном счете, такие исследования могут не только расширить наши знания о фундаментальных законах природы, но и открыть дорогу к новым технологиям в области квантовых сенсоров и информационных систем.