Впервые обнаружена квантовая вибрация в крупном объекте

Ничто в нашем мире не находится в состоянии абсолютного покоя. Даже при абсолютном нуле, когда термальные колебания материи заморожены, частички продолжают квантово вибрировать. Это тонкое дрожание было обнаружено в маленьком кремниевом бруске, который стал первым твердым объектом, продемонстрировавшем квантовые колебания.

Этот феномен, названный нулевыми колебаниями, является следствием принципа неопределенности Гейзенберга, который гласит, что чем больше известно о местоположении частицы в данный момент времени, тем меньше известно о скорости и направлении ее движения, и наоборот. До сегодняшнего дня, нулевая энергия наблюдалась напрямую в единичных атомах или в небольшом количестве частиц.

В новом эксперименте применялся кремниевый брусок, размером 12 микрометров в длину и менее микрометра в ширину. Оскар Пейнтер из Калифорнийского технологического института в Пасадене совместно с коллегами, охладил брусок практически до абсолютного нуля, после чего использовал лазер, чтобы обнаружить признаки его движения.

Некоторые фотоны этого лазера получили сдвиг энергии после того, как соприкоснулись с вибрирующим бруском. Обыкновенные термические колебания способны как увеличивать, так и уменьшать энергию фотона, но все обстоит иначе в случае с квантовыми колебаниями. Поскольку это наименьшее из возможных энергетических состояний, оно способно только поглощать энергию. Группа Пейнтера обнаружила, что отраженный свет находился на более низком энергетическом уровне, что является явным признаком квантовых колебаний.

Данная работа стала первой, в которой удалось продемонстрировать очень странное поведение нулевых флуктуаций. А именно: в этом состоянии, вещество способно только поглощать энергию. В классических системах, вероятность поглощения и испускания энергии одинакова.

Один из участников группы прокомментировал: "Мы продемонстрировали причину, по которой макроскопические (миллиарды атомов) объекты не могут быть охлаждены до абсолютного нуля. На каком-то этапе вы упираетесь в предел, дальше которого вещество способно исключительно на поглощение энергии и не способно отдавать ее. И если оно только поглощает энергию, то это делает невозможным его дальнейшее охлаждение. В этом и заключается феномен квантового колебания. Подобные эксперименты проводились и раньше, но в масштабах нескольких атомов: ничего достаточно крупного, видимого в микроскоп (в отличие от нашего эксперимента)".

Оригинал (на англ. языке): Newscientist

• Грибы как компьютерные чипы: учёные создают «живую память» из шиитаке
• Учёные создали трёхслойное микрофлюидное устройство для сверхэффективного охлаждения электроники
• Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах
• Учёные научились превращать снимки атомно-силового микроскопа в точные 3D-модели движений белков
• Учёные создали уникальный гидрогель для «неклонируемых» меток безопасности
• Роботы нового поколения: в Caltech создали систему, которая может ходить, ездить и летать
• Учёные создали 3D-печатные материалы, которые полностью гасят вибрации
• Квантовые кристаллы: как учёные из Оберна открыли путь к новой технологической революции