Схема эксперимента: частицу размером около 150 нанометров поместили в резонатор (серые стенки) с помощью оптического пинцета (фиолетовый луч) и затем провели частотный анализ резонатора с использованием гетеродинной схемы (обозначено зеленым)
Uroš Delić et al. / Science, 2020
Ученые из Австрии и США смогли поймать частицу, состоящую из 100 миллионов атомов, с помощью лазера и практически заставить ее остановиться при комнатной температуре. Частица находилась в основном квантовом состоянии с эффективной температурой 12 микрокельвинов. Работа опубликована в журнале Science.
Известно, что микроскопические объекты, размером пару атомов, описываются законами квантовой механики. Такие объекты естественным образом могут быть использованы в квантовых технологиях: при проектировании высокочувствительных сенсоров или симуляторов сложных макроскопических систем. Однако, создание больших когерентных объектов, которые состоят из миллионов атомов, — открытая проблема на сегодняшний день.
Физики из Венского университета и MIT создали макроскопическую суперпозицию внутри частицы диоксида кремния, которая содержала в себе 100 миллионов атомов. Ученые поместили частицу в резонатор с помощью оптического пинцета — устройства, в котором используется достаточно мощный лазер для удержания объекта в фиксированном положении в пространстве с точностью в несколько нанометров.
С помощью частотного анализа резонатора физики измерили энергию движения частицы и её температуру, а также время жизни этого состояния. Благодаря точному подбору параметров оптического пинцета исследователи заставили частицу быть в основном квантовом состоянии с наименьшей возможной энергией.
Эффективная температура охлаждаемого объекта составляла всего 12,2 ± 0,5 микрокельвина, а среднее число фононов было 0,43 ± 0,03. Число фононов характеризуют энергию механического движения частицы — это первый раз, когда физикам удалось достичь столь малого числа при комнатной температуре. Время жизни созданного состояния составило 7,6 ± 1 микросекунда.
В дальнейших экспериментах исследователи планируют увеличить время когерености системы, используя более совершенные резонаторы.
Проведенный физиками эксперимент открывает возможности для макроквантовой физики. Это, в свою очередь, поможет в создании высокоточных детекторов, в том числе и детекторов темной материи. Помимо технического применения, такие системы могут помочьфизикам выявить квантовые эффекты в гравитации.
Михаил Перельштейн
