Фізики з Окінавського інституту науки і технологій (OIST) в Японії вперше показали, що квантові спіни електронів здатні зрушити об’єкт сантиметрового розміру. За даними ScienceAlert, їм вдалося класично перемістити цілу графітову пластину з підвішеним алмазом, використовуючи суто квантову силу.
Спін електрона можна уявити як крихітний вбудований магнітик або мікроскопічну стрілку компаса. Досі його сила вистачала лише на те, щоб трохи впливати на окремі атоми чи наномасштабні системи. Нова робота, опублікована в Science Advances, демонструє вплив цих квантових сил на об’єкт, який вже помітно відчуває гравітацію, – важливий крок до поєднання квантової механіки з фізикою макросвіту.
Теоретичний фізик Джейсон Туамлі (Jason Twamley) нагадує, що багато спроб розширити межі квантової механіки на об’єкти більші за кількадесят нанометрів не мали успіху. Тепер, за його словами, вдалося зафіксувати класичну механічну відповідь на квантову силу в об’єкта, маса якого на вісім-дев’ять порядків більша за масу систем у найкращих попередніх спін-механічних експериментах.
Як побудували експеримент з квантовим поштовхом
Ключем до успіху стала конструкція установки. Як «великий» об’єкт дослідники обрали сантиметрову графітову пластину, яку змусили левітувати над шаховим масивом магнітів. Така діамагнітна левітація відштовхує графіт від магнітного поля й утримує його в повітрі, подібно до того, як працюють маглев-поїзди, але в набагато менших масштабах.
До пластини підвісили алмаз завдовжки близько 3 міліметрів. Усередині цього кристалу були спеціальні атомні дефекти – нітроген-вакансійні (NV) центри. У цих центрах електрони мають спіни, якими можна керувати за допомогою лазерного світла.
Лазер дозволяв встановлювати певний квантовий стан спінів у NV-центрах. Ще один магніт у системі перетворював цю впорядковану квантову «магнітність» на механічний поштовх усієї підвішеної конструкції.
Уся установка – графітова пластина разом з алмазом – важила приблизно 128 міліграмів, тобто кілька зернин рису. Квантові спіни зуміли зрушити її на близько 100 нанометрів, що дорівнює приблизно тисячній частині товщини людської волосини. Хоча рух дуже малий, цього достатньо, щоб надійно зафіксувати ефект.
Фізик Деіхі Кім (Daehee Kim) пояснює, що NV-алмази добре вивчені й відносно прості в керуванні. Важливо й те, що NV-центри мають одні з найдовших відомих часів когерентності: вони можуть зберігати квантову суперпозицію при кімнатній температурі набагато довше, ніж більшість інших систем. Це робить їх перспективними для спроб створити квантову суперпозицію руху вже макроскопічних об’єктів у майбутніх дослідженнях.
Від великого до малого: інший шлях до квантової гравітації
У спробах поєднати гравітацію, яка керує рухом планет, із квантовими ефектами на субатомних масштабах, науковці зазвичай рухаються «знизу догори»: починають з дуже малих систем і поступово збільшують їх розміри.
Команда OIST обрала протилежну стратегію. Фізик Аншуман Наяк (Anshuman Nayak) зазначає, що, як і діамагнітна левітація в маглев-поїздах, той самий принцип можна використати, щоб піднімати сантиметрові об’єкти, які вже сильно відчувають силу тяжіння, але де квантові ефекти ще не спостерігалися. Тобто вони рухаються від великих класичних об’єктів у бік дедалі більш виразної квантової поведінки.
Рух, зафіксований у цьому експерименті, залишається класичним: пластина та алмаз просто змістилися у просторі. Важливе інше – те, що це зміщення спричинив чисто квантовий ефект спінів електронів.
У перспективі дослідники сподіваються, що подібні установки дадуть можливість ввести більші об’єкти у квантові стани, наприклад у суперпозицію, коли система фактично перебуває одночасно у двох станах. Туамлі підкреслює, що команда вже продемонструвала великий класичний відгук на дуже малу квантову дію, тож тепер питання не в тому, чи можлива така технологія, а як точніше налаштувати експериментальні умови, щоб досягти справжньої квантової суперпозиції в режимі, де діють закони загальної теорії відносності Ейнштейна.
За словами вчених, вони зрушили межу від нанометрів до сантиметрів. Якщо вдасться просунутися ще хоча б на один порядок, можна буде експериментально підібратися до сценаріїв на кшталт знаменитого «кота Шредінгера», де макроскопічний об’єкт виявляється в квантово невизначеному стані.
Робота опублікована в журналі Science Advances і розглядається як один з кроків до перевірки того, чи підкоряється гравітація тим самим квантовим законам, що й інші фундаментальні взаємодії у Всесвіті.