Изображение показывает, как атомы превращаются в квантовые волны

Частицы и волны — две стороны одного и того же в нашей вселенной. Корпускулярно-волновой дуализм — свойство природы, состоящее в том, что материальные микроскопические объекты могут при одних условиях проявлять свойства классических волн, а при других — свойства классических частиц. Корпускулярно-волновой дуализм изучается уже более века с помощью множества экспериментов, но теперь исследователи сделали нечто иное: они засняли его на камеру.

На первом в своем роде изображении исследователям удалось запечатлеть тот момент, когда отдельные атомы начинают действовать как «волновые пакеты». Их результаты показаны в предварительной статье, которая еще не прошла экспертную оценку. Уравнения, которые управляют этим, были известны с первых дней существования квантовой механики, поэтому команда точно знала, как изменится система. Проблема заключалась в технике изображения.

Ученые сравнили свои методы визуализации с пикселями обычной цифровой камеры. Атомы лития сначала охлаждаются почти до абсолютного нуля с помощью лазеров. Они заключены в оптическую решетку, но им дается достаточно времени, чтобы превратиться в локализованный волновой пакет.

Оптическая решетка отключается, чтобы атомная волна могла расшириться перед повторным включением, возвращая пакет обратно в состояние частицы. Захваченный атом флуоресцирует, и это можно зарегистрировать с помощью микроскопа. Метод повторяется много раз, чтобы исследователи могли оценить всю плотность волновой функции.

«Волновые пакеты — одно из наиболее элементарных проявлений корпускулярно-волнового дуализма. Несмотря на это, на удивление мало экспериментов было посвящено расширению одночастичного волнового пакета напрямую и с хорошим разрешением», — говорят ученые. «Кроме того, поскольку их поведение хорошо изучено, они представляют собой отличный тестовый объект для сравнения разработанной нами техники микроскопии: восстановив ожидаемое поведение, мы можем подтвердить, что сам метод визуализации не вносит какой-либо существенной систематической ошибки».

Выбор теоретически хорошо изученной установки помог продемонстрировать надежность этого метода, позволяющего получить представление о квантовом поведении, не оказывая на него серьезного влияния. В квантовой механике наблюдатель, в конце концов, является частью эксперимента. Следующий шаг — использовать его для менее понятных состояний.

«Используя метод визуализации, который мы разработали и протестировали, мы планируем напрямую изучить микроскопические свойства сильно взаимодействующих фермионных систем. Поведение этих систем гораздо менее изучено, чем волновые пакеты, которые мы изучали в исследовании», — продолжили авторы. «Это может, например, улучшить наше понимание замечательных состояний материи, таких как чрезвычайно плотные нейтронные звезды или плазма элементарных частиц, обнаруженная вскоре после Большого взрыва».

Статья, описывающая эти наблюдения, доступна на сервере препринтов ArXiv.