Например, можно исследовать маленькие стеклянные сферы диаметром в сто нанометров - все еще более чем в тысячу раз меньше песчинки, но огромные по квантовым меркам. В течение многих лет предпринимались попытки показать, в какой степени такие сферы все еще проявляют квантовые свойства. Исследовательская группа из ETH Zurich при теоретической поддержке TU Wien (Вена) в настоящее время добилась прорыва: они смогли показать, что вращательные колебания таких частиц ведут себя в соответствии с квантовой физикой не только при охлаждении почти до абсолютного нуля с использованием сложных методов охлаждения, но даже при комнатной температуры.

Кванты вибрации: допускаются только определенные колебания

"Микроскопическая частица всегда будет немного колебаться", - говорит Карлос Гонсалес-Баллестеро из Института теоретической физики Венского университета. "Это колебание зависит от температуры и от того, как на частицу влияет окружающая среда".

В повседневной жизни мы предполагаем, что возможны любые колебания. Маятник часов, например, можно повернуть на любой угол, и его можно заставить колебаться чуть сильнее или чуть слабее - как вам больше нравится. Однако в квантовом мире все по-другому: если вы посмотрите на колебания с очень низкой энергией, вы обнаружите, что существуют очень специфические "кванты колебаний".

Существует минимальная вибрация, известная как "основное состояние", чуть более высокая вибрация, которая несет немного больше энергии ("первое возбужденное состояние"), и так далее. Промежуточного состояния нет, но частица может существовать в квантово-физической комбинации различных вибрационных состояний - это одно из центральных понятий квантовой физики.

"Очень трудно привести наночастицу в состояние, при котором ее квантовые свойства становятся очевидными", - говорит Карлос Гонсалес-Баллестеро. "Вы должны позволить частице плавать, чтобы максимально изолировать ее от любых помех. И обычно вы также должны обеспечивать чрезвычайно низкие температуры, близкие к абсолютному нулю, что составляет минус 273,15 градуса по Цельсию".

Вращение прекращается, частица остается горячей

ETH Zurich и TU Wien в настоящее время разработали методику, которая позволяет привести очень специфический аспект наночастицы в квантово-физическое состояние, даже если сама частица находится в горячем, неупорядоченном состоянии.

"Мы используем наночастицу, которая не идеально круглая, а слегка эллиптическая", - объясняет Карлос Гонсалес-Баллестеро. "Когда вы держите такую частицу в электромагнитном поле, она начинает вращаться. Наш вопрос заключался в следующем: можем ли мы увидеть квантовые свойства этой вращательной вибрации? Можем ли мы извлекать энергию из этого вращательного движения до тех пор, пока оно в основном не перейдет в основное квантовое состояние?'

Для этой цели использовались лазерные лучи и зеркальные системы. "Лазер может либо снабжать наночастицу энергией, либо отбирать ее у нее", - объясняет Карлос Гонсалес-Баллестеро. "Настроив зеркала подходящим образом, вы можете гарантировать, что энергия извлекается с высокой вероятностью и добавляется только с низкой вероятностью. Таким образом, энергия вращательного движения уменьшается до тех пор, пока мы не приблизимся к основному квантовому состоянию.'

Однако для достижения этого необходимо было решить ряд сложных теоретических проблем - квантовый шум лазеров должен был быть правильно понят и контролироваться.

Рекордная квантовая чистота

Наконец, действительно удалось продемонстрировать, что вращение может быть приведено в состояние, которое почти исключительно соответствует основному квантово-механическому состоянию. Самое удивительное в этом то, что наночастица не остыла - напротив, на самом деле она нагрета на несколько сотен градусов.

"Вы должны рассматривать различные степени свободы по отдельности", - объясняет Карлос Гонсалес-Баллестеро. "Это позволяет очень эффективно снижать энергию вращательного движения без необходимости одновременного уменьшения внутренней тепловой энергии наночастицы. Удивительно, но вращение может, так сказать, застыть, даже несмотря на то, что сама частица имеет высокую температуру".

Это позволило создать состояние, которое с точки зрения квантовой физики значительно "чище", чем это было ранее возможно с аналогичными частицами, даже несмотря на то, что охлаждение не требовалось. "Это технически удивительно практичный способ раздвинуть границы квантовой физики", - говорит Карлос Гонсалес-Баллестеро. "Теперь мы можем изучать квантовые свойства объектов стабильным и надежным способом, что ранее было едва ли возможно".