• АВТОР: ФИЛИП БОЛЛ
    Источник
    Культовый квантовый эксперимент с двумя щелями, который показывает, как материя может вести себя подобно волнам, демонстрирующим интерференцию и суперпозицию, впервые был продемонстрирован с использованием отдельных молекул в качестве щелей.

    Ричард Фейнман однажды сказал, что эксперимент с двумя щелями раскрывает главные загадки квантовой механики, ставя нас “перед парадоксами, тайнами и особенностями природы”.

    Ричард Заре, Нандини Мукерджи и их коллеги из Стэнфордского университета, США, теперь показали, что, когда атомы гелия сталкиваются с молекулами дейтерия (D2) в квантовой суперпозиции состояний, рассеяние может происходить по двум различным путям, которые мешают друг другу. Исследователи выявляют интерференцию, изучая ее влияние на рассеянные молекулы D2, которые теряют энергию вращения при столкновении.

    Заре и коллеги создали ультрахолодный молекулярный пучок из смесиD2 и гелия, в котором столкновения происходят при эффективной температуре 1K (-272°C). Используя два набора поляризованных лазерных импульсов, онисоединили молекулы D2 в определенное вращательное и колебательное энергетическое состояние, но в двух различных ориентациях по отношению к лабораторной системе отсчета, под прямым углом друг к другу. Они действуют как две “щели”, которые рассеивают атомы гелия.

    Изображение, показывающее два графика, один для двух атомов дейтерия с одним состоянием каждый и один с атомом в суперпозиции
    Источник: © Наука/AAAS

    Только когда молекула дейтерия находится в суперпозиции обеих ориентаций (справа), атомы гелия, рассеивающиеся от нее, действуют так, как если бы они прошли через двойные щели классического квантового эксперимента (красные точки = эксперимент; черная линия = расчет).

    увеличьте масштабуменьшить масштаб
    Принципиально важно, что исследователи также могут подготовитьмолекулы D2 в когерентной суперпозиции обеих ориентаций – то есть, чтобы волновые функции двух наложенных состояний оставались синхронными друг с другом. Когда атомы гелия рассеиваются от наложенных молекул, атомы “ чувствуют’ обе ориентации одновременно.

    В классическом эксперименте с двумя щелями квантовые частицы проходят через обе щели в суперпозиции траекторий. В этом случае, напротив, кажется, что существует только одна щель, которая сама находится в суперпозиции позиций.

    Столкновения приводят к тому, что молекулы D2 возвращаются в основное вращательное состояние для этого колебательного уровня, которое затем Заре и ее коллеги избирательно ионизируют и анализируют. Экспериментальные измерения полностью соответствовали этому прогнозу.

    Физико-химик Дэвид Клэри из Оксфордского университета, Великобритания, говорит, что эта работа способствует пониманию того, как молекулярное рассеяние может переключать молекулы между различными квантованными вращательными состояниями. ‘Уже давно была поставлена цель построить эксперимент, который мог бы измерить такие переходы во всех начальных и конечных квантовых состояниях”, – говорит он. Команда Стэнфорда “добилась прогресса в этом направлении”, используя квантовую интерференцию для выявления различных вращательных состояний, добавляет он.

    Эффекты квантовой интерференции при молекулярном рассеянии наблюдались и раньше. В одном более раннем эксперименте, интерференция наблюдалась для фотоэлектронов, испускаемых молекулой кислорода, поскольку каждый электрон мог взаимодействовать с любым из двух атомных ядер. Но что отличает их эксперимент, говорит Мукерджи, так это то, что “ мы полностью контролируем “щели””. Они не являются двумя атомами в фиксированном соотношении, как в двухатомной молекуле, но создаются путем наложения молекулярных ориентаций, и поэтому их можно регулировать по желанию – скорее, как изменение ширины щели или разделение или блокирование одного из них.

    Клэри надеется, что этот подход может в конечном итоге привести к “святому граалю” квантового контроля с помощью эксперимента, в котором можно будет выбрать все начальные и конечные квантовые состояния рассеянных молекул. Мукерджи говорит, что этот подход также будет работать для химических реакций в бимолекулярной газовой фазе. В этом случае, говорит она, “вы могли бы контролировать продукт реактивных химических столкновений” с квантовой точностью.

    Исследователи полагают, что их результаты также исследуют фундаментальные аспекты квантового поведения. “Мы описываем получение вещества нового типа: молекула, приготовленная в согласованной суперпозиции состояний с известной и контролируемой фазой, связывающей наложенные состояния”, – говорит Заре. Они надеются, что их метод может быть использован для изучения декогеренции, с помощью которой квантовые явления превращаются в классические результаты через взаимодействие с окружающей средой.

    Рекомендации
    Ч Чжоу и др., Наука, 2021, DOI: 10.1126/science.abl4143

    Опубликовано

← Старые Новые →