На своей волне: физики впервые зафиксировали квантовый танец атомов

Новая техника визуализации, позволяющая наблюдать за превращением атомов лития в квантовые волны, может пролить свет на наименее изученные аспекты квантового мира. Физики впервые смогли чётко зафиксировать, как отдельные атомы ведут себя как волны. На изображении видны острые красные точки светящихся атомов, превращающиеся в размытые облака волновых пакетов. Это подтверждает идею о том, что атомы одновременно являются и частицами, и волнами, что является одним из основополагающих принципов квантовой механики.

Исследователи, разработавшие эту технику визуализации, опубликовали свои результаты на предварительном сервере arXiv , их работа ещё не прошла рецензирование. В своей статье учёные отмечают, что "волновая природа материи остаётся одним из самых поразительных аспектов квантовой механики". Они также добавляют, что новая техника может быть использована для изображения более сложных систем, что даст новые сведения по фундаментальным вопросам физики.

Впервые идея о дуализме волны-частицы была предложена французским физиком Луи де Бройлем в 1924 году и развита Эрвином Шрёдингером двумя годами позже. Согласно этой теории, все объекты квантового размера, а значит, и вся материя, одновременно существуют как частицы и волны.

Для получения изображения этого "размытого дуализма" физики сначала охладили атомы лития до температур, близких к абсолютному нулю, бомбардируя их фотонами из лазера, чтобы лишить их импульса. Затем, используя дополнительные лазеры, учёные заключили атомы в оптическую решётку как в дискретные пакеты. Периодически выключая и включая оптическую решётку, исследователи заставляли атомы переходить из состояния, близкого к частицам, в состояние, напоминающее волну, и обратно.

Камера микроскопа фиксировала свет, излучаемый атомами при их увеличении и уменьшении между каждым состоянием, создавая изображение острых точек частиц внутри волновых размытий, что идеально демонстрирует уравнение Шрёдингера. Тарик Йефса, соавтор исследования и физик из Национального центра научных исследований и Нормальной высшей школы в Париже, объяснил: "Этот метод визуализации заключается в повторном включении решётки для проецирования каждого волнового пакета обратно в отдельный колодец, превращая их снова в частицы — они больше не волны".

Учёные утверждают, что это изображение — лишь простая демонстрация. Следующим шагом будет использование этой техники для изучения менее понятных систем сильно взаимодействующих атомов. "Изучение таких систем может улучшить наше понимание странных состояний материи, таких как те, что находятся в ядре чрезвычайно плотных нейтронных звёзд, или кварк-глюонной плазмы, которая, как полагают, существовала вскоре после Большого взрыва", — сказал Йефса.