Οι φυσικοί έχουν δείξει ότι ακόμη και μικροσκοπικά κομμάτια μετάλλου μπορούν να συμπεριφέρονται σύμφωνα με τους περίεργους νόμους της κβαντικής μηχανικής, που υπάρχουν σε καταστάσεις που απλώνονται σε πολλές θέσεις ταυτόχρονα. Μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο η φύσηΕρευνητές στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης και στο Πανεπιστήμιο του Ντούισμπουργκ-Έσσεν έδειξαν ότι τα μεταλλικά νανοσωματίδια που αποτελούνται από χιλιάδες άτομα νατρίου παρουσιάζουν κβαντική συμπεριφορά παρόλο που είναι πολύ μεγαλύτερα και βαρύτερα από τα σωματίδια που χρησιμοποιούνται συνήθως σε τέτοια πειράματα.
Το επίτευγμα αντιπροσωπεύει ένα από τα πιο ισχυρά τεστ της κβαντικής μηχανικής σε κλίμακες που πλησιάζουν τον μακροσκοπικό κόσμο.
Κβαντική συμπεριφορά πέρα από μικροσκοπικά σωματίδια
Η κβαντική φυσική περιγράφει έναν κόσμο όπου η ύλη μπορεί να συμπεριφέρεται και ως σωματίδιο και ως κύμα. Οι επιστήμονες έχουν επιβεβαιώσει αυτήν την ασυνήθιστη συμπεριφορά σε ηλεκτρόνια, άτομα και μικρά μόρια χρησιμοποιώντας επαναλαμβανόμενες παρεμβολές και πειράματα διπλής σχισμής. Αλλά στην καθημερινή ζωή, συνηθισμένα αντικείμενα όπως πέτρες, σκόνη ή μάρμαρα ακολουθούν τους προβλέψιμους νόμους της κλασικής φυσικής, μένουν σε ένα μέρος και κινούνται σε καθορισμένα μονοπάτια.
Μια ερευνητική ομάδα της Βιέννης με επικεφαλής τους Markus Arndt και Stefan Gerlich έχει τώρα επεκτείνει αυτά τα κβαντικά αποτελέσματα σε πολύ μεγαλύτερα μεταλλικά νανοσωματίδια για πρώτη φορά. Τα συμπλέγματα νατρίου που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα μέτρησαν περίπου 8 νανόμετρα, παρόμοια σε κλίμακα με τα σύγχρονα εξαρτήματα τρανζίστορ. Κάθε σύμπλεγμα είχε μάζα πάνω από 170.000 μονάδες ατομικής μάζας, καθιστώντας τα βαρύτερα από τις περισσότερες πρωτεΐνες.
Ακόμη και σε αυτή την κλίμακα, τα σωματίδια εξακολουθούν να παράγουν μετρήσιμες κβαντικές παρεμβολές.
«Διαισθητικά, θα περίμενε κανείς ένα τόσο μεγάλο μέταλλο να συμπεριφέρεται σαν ένα κλασικό σωματίδιο», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας και διδακτορικός φοιτητής Sebastian Pedalino. «Εξακολουθεί να παρεμβαίνει, δείχνοντας ότι η κβαντομηχανική ισχύει ακόμη και σε αυτή την κλίμακα και ότι δεν χρειάζονται εναλλακτικά μοντέλα».
Δημιουργώντας ένα «Σκόντωμα μετάλλου του Schrödinger».
Για να πραγματοποιήσουν το πείραμα, οι ερευνητές δημιούργησαν υπερψυχρές συστάδες νατρίου που περιείχαν 5.000 έως 10.000 άτομα. Τα σωματίδια στη συνέχεια ταξίδεψαν μέσω τριών δικτυωμάτων περίθλασης που δημιουργήθηκαν από μια υπεριώδη ακτίνα λέιζερ.
Η πρώτη δέσμη λέιζερ τοποθέτησε κάθε σύμπλεγμα με ακρίβεια περίπου 10 nm και τοποθέτησε τα σωματίδια σε μια κβαντική υπέρθεση, που σημαίνει ότι μπορούσαν να ακολουθήσουν πολλαπλές διαδρομές μέσω της συσκευής ταυτόχρονα. Καθώς αυτά τα πιθανά μονοπάτια αλληλεπικαλύπτονταν αργότερα στο πείραμα, παρήγαγαν ένα ανιχνεύσιμο μοτίβο ριγέ παρεμβολής που ταίριαζε με τις προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα σωματίδια δεν κατέλαβαν μια σταθερή θέση κατά τη διάρκεια της πτήσης τους. Αντίθετα, η κβαντική τους κατάσταση απλώνεται σε μια περιοχή δεκάδες φορές μεγαλύτερη από το ίδιο το σωματίδιο.
Οι φυσικοί περιγράφουν αυτές τις καταστάσεις όπως δηλώνει η γάτα του Σρέντινγκερ, αναφερόμενοι στο περίφημο πείραμα σκέψης του Αυστριακού φυσικού Erwin Schrödinger για μια γάτα που είναι ταυτόχρονα νεκρή και ζωντανή μέχρι να παρατηρηθεί. Σε αυτή την περίπτωση, οι ερευνητές περιέγραψαν τα μεταλλικά σμήνη ως αποτελεσματικά “εδώ και όχι εδώ” ταυτόχρονα.
Ένα τεστ ρεκόρ της κβαντικής μηχανικής
Ο Klaus Hornberger (Πανεπιστήμιο Έσσεν του Ντούισμπουργκ), ο οποίος συνέγραψε τη νέα μελέτη, πέρασε τις δύο τελευταίες δεκαετίες αναπτύσσοντας τη θεωρητική βάση για τέτοια συμβολομετρία κοντινού πεδίου. Οι Hornberger και Stefan Nimrichter (τότε Πανεπιστήμιο της Βιέννης) εισήγαγαν για πρώτη φορά την έννοια της μακροσκοπικότητας, έναν τρόπο σύγκρισης του πόσο έντονα διαφορετικά πειράματα ελέγχουν τα όρια της κβαντικής μηχανικής.
Η μακροσκοπικότητα επιτρέπει στους επιστήμονες να μετρήσουν πόσο αποτελεσματικά πειράματα που περιλαμβάνουν συστήματα όπως νανοταλαντωτές, πυρηνικά παρεμβολόμετρα και νανοακουστικοί συντονιστές ακυρώνουν ακόμη και μικρές αποκλίσεις από την τυπική κβαντική θεωρία.
Στο νέο πείραμα, η ομάδα πέτυχε μια τιμή μακροσκοπικότητας μ = 15,5. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτό είναι περίπου μια τάξη μεγέθους πέρα από προηγούμενα πειράματα παγκοσμίως.
Για να ταιριάξουν το ίδιο επίπεδο ακρίβειας με τα πειράματα που χρησιμοποιούν ηλεκτρόνια, οι επιστήμονες θα χρειαστεί να αποθηκεύσουν κβαντικές υπερθέσεις ηλεκτρονίων για περίπου 100 εκατομμύρια χρόνια. Τα μεταλλικά νανοσωματίδια της Βιέννης πέτυχαν αυτό το σημείο αναφοράς σε μόλις ένα εκατοστό του δευτερολέπτου.
Μελλοντικές εφαρμογές και μεγαλύτερα κβαντικά πειράματα
Πέρα από τη δοκιμή των θεμελίων της φυσικής, η εργασία θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν γιατί τα κβαντικά φαινόμενα κυριαρχούν στον μικροσκοπικό κόσμο ενώ τα καθημερινά αντικείμενα φαίνονται κανονικά και κλασικά.
Η ομάδα σχεδιάζει να διερευνήσει μεγαλύτερα σωματίδια και πρόσθετα υλικά σε μελλοντικές μελέτες, ωθώντας δυνητικά αυτά τα πειράματα περαιτέρω τάξεις μεγέθους. Η βελτιωμένη πειραματική υποδομή και ο αναβαθμισμένος εξοπλισμός αναμένεται να καταστήσουν δυνατές πιο ευαίσθητες μετρήσεις.
Το συμβολόμετρο της Βιέννης χρησιμεύει ως αισθητήρας δυνάμεων υψηλής ακρίβειας, ικανός να ανιχνεύει δυνάμεις τόσο μικρές όσο 10-26 N. Οι ερευνητές λένε ότι οι μελλοντικές εκδόσεις θα μπορούσαν να γίνουν ακόμη πιο ευαίσθητες, ανοίγοντας τη δυνατότητα για πολύ ακριβείς μετρήσεις ηλεκτρικών, μαγνητικών και οπτικών ιδιοτήτων σε απομονωμένα νανοσωματίδια. Αυτές οι δυνατότητες θα μπορούσαν τελικά να υποστηρίξουν νέες προόδους στη νανοτεχνολογία και την ανίχνευση ακριβείας.
Η μελέτη πραγματοποιήθηκε από ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης, με επικεφαλής τους Markus Arndt και Stefan Görlich, σε συνεργασία με τον Klaus Hornberger από το Πανεπιστήμιο του Duisburg-Essen. Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται η φύση.
Το πείραμα χρηματοδοτήθηκε σημαντικά από:
- Επιχορήγηση του Ιδρύματος Der Gordon & Betty Moore GMBF10771
- Ταμείο Προώθησης Επιστημονικής Έρευνας, FWF, MUSCLE #32542-N
