Старший научный сотрудник физического факультета ТГУ Дмитрий Карловец вместе с Валерием Сербо из Института математики СО РАН показали, что наблюдать волновые свойства массивных частиц можно и при комнатной температуре, практически в любой современной физической лаборатории, нужно лишь хорошо сфокусировать пучок частиц, сообщает пресс-служба ТГУ. Статья с результатами теоретического исследования опубликована в одном из самых престижных журналов по физике –Physical Review Letters.
Обычно волновые свойства частиц хорошо проявляются в физических экспериментах при низких температурах, например, в явлении сверхпроводимости. Необходимость охлаждать частицы делала исследования волновой природы материи довольно дорогими.
«Мы придумали, как поставить эксперимент, при котором волновые свойства частиц будут проявляться при комнатной температуре. Для этого ничего не нужно охлаждать, а просто хорошо фокусировать пучок», – объясняет Дмитрий Карловец, старший научный сотрудник лаборатории теоретической и математической физики ФФ.
Согласно идее физиков-теоретиков, пучок электронов нужно сфокусировать в пятно размером с атом водорода. В этом случае достаточно современных электронных микроскопов, которые есть во многих научных центрах мира, в том числе и в ТГУ.
«Ранее ученые думали, что волновые свойства частиц при комнатной температуре будут проявляться при фокусировке в так называемую комптоновскую длину волны – а она очень мала, например, для электрона это около 10-13 метра. Размер атома водорода на три порядка больше: 0,5*10-10метра, а такая фокусировка уже достигнута, например, в Университете Антверпена в Бельгии», – продолжает Дмитрий.
Далее физики показали, что волновые свойства частиц будут проявляться особенно ярко, если электроны находятся в специальных квантовых состояниях. В квантовой оптике ученые умеют создавать микроскопические аналоги «котов Шредингера»: это известный мысленный эксперимент про кота в закрытой коробке с ядом; пока мы не наблюдаем кота, он находится в состоянии суперпозиции и неизвестно, жив он или мертв. Так же и с волнами: когда два пучка электронов накладываются друг на друга, они могут интерферировать, то есть либо усиливать друг друга, либо гасить. В той области пространства, где происходит деструктивная интерференция, вероятность для электрона иметь определенные координату и импульс становится отрицательной – свойство, необъяснимое на языке классической физики.
«Если светить простым пучком на атом, то электроны начинают рассеиваться, поглощаться или делать что-то еще. А если светить на атом водорода таким «котом» (двумя наложенными друг на друга пучками), то в области между пучками атом начинает хуже чувствовать эти электроны, потому что там происходит деструктивная интерференция, – объясняют исследователи. – Это приводит к изменению свойств рассеянных электронов и может наблюдаться экспериментально».
Таким образом фокусировка «шредингеровского кота» электронов на атом водорода позволит изучать чисто квантовые эффекты в столкновении частиц, которые никогда раньше в физике частиц не наблюдались.
Исследование находится на стыке физики частиц и квантовой оптики и продолжает традиции университетской школы теоретической физики. Работа имеет фундаментальный характер, однако после выхода статьи возможно экспериментальное продолжение. В России подобные экспериментальные исследования практически не проводятся. В мире они ведутся в University of Antwerp (Антверпен, Бельгия), в National Institute of Standards and Technology (США), в Institute for Metallic Materials (Дрезден, Германия), в Delft University of Technology (Голландия), в Tel Aviv University(Израиль) и других.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение