Физики расширили квантовый волновой пакет левитирующей наночастицы: шаг к интерференции массивных объектов

Квантовая механика утверждает, что любое тело, независимо от его размеров, способно проявлять как корпускулярные, так и волновые свойства. Эти свойства описываются волновой функцией — математическим инструментом, предсказывающим вероятность нахождения частицы в том или ином месте. Для атомов и молекул вычисление и наблюдение волновой функции стало рутинной задачей, однако для более крупных объектов этот процесс остаётся чрезвычайно сложным. Чем массивнее частица, тем быстрее её квантовое поведение разрушается под воздействием взаимодействий с окружающей средой, уступая место классической механике.

Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха совместно с коллегами из Барселонского института фотонных наук предложили метод, который может изменить ситуацию. В своей работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, они показали, как с помощью квантового сжатия можно увеличить длину когерентности — расстояние, на котором сохраняется чётко определённое волновое поведение оптически левитирующей наночастицы.

Экспериментальная установка основана на оптическом пинцете, который удерживает частицу в гармоническом потенциале. В таком состоянии волновой пакет частицы имеет крайне малые размеры — всего несколько пикометров, что делает невозможным наблюдение интерференции с применением дифракционных решёток. Вместо того чтобы пытаться уменьшить масштабы экспериментальных решёток до практически недостижимых величин, физики пошли по другому пути: они увеличили сам волновой пакет наночастицы.

Для этого они временно ослабили глубину оптической ловушки. В этот момент волновой пакет начал расширяться, а затем вновь сжимался бы под действием ловушки. Однако, вернув частицу в «плотную» ловушку до момента сжатия, учёные сумели зафиксировать состояние расширенного пакета. Таким образом удалось увеличить делокализацию частицы до 70 пм — более чем вдвое по сравнению с когерентностью в основном состоянии. Хотя эта величина пока недостаточна для прямых интерференционных экспериментов, результат подтвердил принципиальную реализуемость метода.

Подобный подход открывает путь к дальнейшему масштабированию. Теоретически, повторяя процедуру многократно, можно достичь экспоненциального роста делокализации, при условии что уровень декогеренции останется минимальным. Целью таких экспериментов является достижение длины когерентности, сравнимой с реальными размерами наночастицы, что станет фундаментальным шагом к наблюдению интерференции волн материи для массивных объектов.

Основным препятствием остаётся декогеренция, вызванная рассеянием фотонов оптической ловушкой. Чтобы её преодолеть, группа исследователей разрабатывает гибридный метод левитации, где оптический пинцет сочетается с электрической квадрупольной ловушкой, аналогичной тем, что применяются в экспериментах с ионами. Это позволит значительно снизить скорость разрушения когерентности и приблизиться к реализации макроскопических интерференционных опытов.

Работа демонстрирует, что квантовое поведение уже не ограничивается миром элементарных частиц и атомов. Эксперименты с наночастицами становятся новой ареной, где проверяются границы действия квантовой механики. В будущем подобные исследования могут не только подтвердить универсальность квантовых принципов, но и привести к созданию новых технологий в области сенсоров, квантовых измерений и фундаментальных тестов природы реальности.