Превращение атомов в квантовые волны впервые удалось снять на камеру

Новая техника визуализации, которая фиксирует замороженные атомы лития, преобразующиеся в квантовые волны, может быть использована для исследования плохо изученных аспектов квантового мира.

Атомы лития, охлажденные почти до абсолютного нуля, выглядят как красные точки на этом фото. Объединив несколько изображений, авторы смогли наблюдать, как атомы ведут себя как волны

Источник: Verstraten et al / livescience.com

На изображении видны острые красные точки флуоресцирующих атомов. Они превращаются в нечеткие капли волновых пакетов. Впервые физики получили визуальное представление о том, как это происходит, пишет Live Science.

Предложенный французским физиком Луи де Бройлем в 1924 году и расширенный Эрвином Шредингером два года спустя волновой корпускулярный дуализм утверждает, что все объекты квантового размера, а следовательно, и вся материя, существуют как частицы и волны одновременно. Знаменитое уравнение Шредингера обычно интерпретируется физиками как утверждение, что атомы существуют как пакеты волнообразной вероятности в пространстве, которые затем при наблюдении схлопываются в дискретные частицы. Это причудливое свойство квантового мира, хоть оно и противоречит здравому смыслу, было подтверждено в многочисленных экспериментах. 

Чтобы отобразить нечеткую двойственность, физики сначала охладили атомы лития до температур, близких к абсолютному нулю, бомбардируя их фотонами или световыми частицами из лазера, чтобы лишить их импульса. Как только атомы охлаждались, новые лазеры захватывали их в оптическую решетку в виде дискретных пакетов. После этого исследователи периодически выключали и включали оптическую решетку, преобразуя атомы из ограниченного состояния, близкого к частице, до состояния, напоминающего волну, а затем обратно. 

Камера микроскопа зафиксировала свет, излучаемый атомами в состоянии частицы в два разных момента времени. Между этими моментами атомы вели себя как волны. Собрав множество изображений, ученые построили форму волны и наблюдали, как она расширяется со временем, что полностью соответствует уравнению Шредингера.

Полученное изображение — это первый шаг. Следующим шагом специалистов будет использование увиденного для изучения систем сильно взаимодействующих атомов. «Изучение таких систем может улучшить наше понимание странных состояний материи, например тех, которые обнаружены в ядре чрезвычайно плотных нейтронных звезд или кварк-глюонной плазмы, которая, как полагают, существовала вскоре после Большого взрыва», — заключают специалисты.

Ранее ученые создали сверхточные атомные часы.