Французские исследователи представили самое четкое в истории изображение отдельных атомов, ведущих себя как квантовые волны, как и предсказывает уравнение Шрёдингера. Эксперимент, регулирующий значительную часть квантовой механики, представляет собой большой прорыв в этой области и позволит продолжить изучение экзотического квантового поведения отдельных атомов.
Волновая природа материи — один из самых увлекательных аспектов квантовой механики. Предсказанный в 1920-х годах уравнением Шрёдингера, этот феномен, известный как дуализм волна-частица, означает, что частицы материи могут вести себя как частицы и как волны. Впервые эта двойственная характеристика была предложена физиком Луи де Бройлем с помощью теории электронных волн, которая объединила эти две концепции.
В последующие десятилетия эти теории были подтверждены рядом знаковых экспериментов, таких как наблюдение дифракции электронов. Дифракция электронов заключается в облучении образца электронами и наблюдении за дифракционным поведением (поведением волн при столкновении с препятствием или отверстием).
Некоторые также отмечают волнообразное поведение массивных частиц (таких, как атомы и молекулы), которые могут быть преобразованы в «волновые пакеты». Это свойство позволяет частице иметь несколько комбинированных частот и длин волн, что придает ей уникальные квантовые свойства.
Другая категория экспериментов позволила изучить пространственное распределение отдельных волновых пакетов. С другой стороны, последние достижения в области квантовой визуализации позволили зафиксировать волновую функцию отдельных атомов. Упрощенно говоря, волновая функция придает любой частице интерференционные свойства, характерные для волны, и обобщает дуализм «волна-частица».
Исследователи из Университета Сорбонны и Тулузы недавно получили самое четкое из когда-либо полученных изображений волновых пакетов отдельных атомов in situ в ходе эксперимента, подробно описанного на платформе предварительной публикации arXiv. Это большой прорыв, который идеально воспроизводит предсказания уравнения Шрёдингера.
Атомы, ведущие себя как частицы, выглядят красными точками, а когда они ведут себя как волны, то распространяются более размашистыми каплями. © Йорис Верстратен и др.
Беспрецедентное наблюдение, подтверждающее уравнение Шрёдингера
Для проведения эксперимента исследователи использовали передовые методы обнаружения, чтобы зафиксировать переход отдельных атомов в волновые состояния. Для этого использовалась квантовая газовая микроскопия, позволяющая получить изображение распределения волновых пакетов при их распространении в плоскости. Волновая функция рассеивается контролируемым образом через оптическую сеть (массив лазеров).
Эта техника позволила запечатлеть волновое поведение атомов с беспрецедентным разрешением. На полученном изображении отдельные атомы ведут себя как частицы, в виде крошечных точек. Когда они превращаются в волны, точки становятся крупнее и более разнесенными. «Варьируя начальное распространение импульса волновых пакетов от одного атома, мы наблюдаем динамику, которая находится в количественном согласии с предсказаниями уравнения Шрёдингера«, — объясняют эксперты в своей работе.
Эти результаты могут иметь значительные последствия для будущих исследований в области квантовой механики, позволяя более детально изучить поведение отдельных атомов. По словам исследователей, их метод может быть применен для наблюдения волновой функции в системе многих тел. Системы многих тел используются для моделирования динамического поведения жестких и/или гибких тел, соединенных друг с другом механическими связями.
В конечном счете, исследование может привести к открытию новых свойств квантовой механики, что может улучшить производительность в квантовых вычислениях и материаловедении. Кроме того, наблюдение in situ за квантовым поведением атомов может привести к разработке новых, сверхэффективных сенсорных технологий, основанных на наблюдении за квантовыми состояниями частиц.
