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.
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.