Уявіть собі компас завбільшки з атом. Кожен електрон має власний крихітний “магнітний стрілочний прилад” – спін, який досі вдавалося використати хіба що для того, щоб штовхнути окремий атом у той чи інший бік. Тепер ця сама сила зрушила дещо набагато більше. Група дослідників з Окінавського інституту науки і технологій (OIST) у Японії опублікувала у Science Advances дослідження, де квантовий спін змусив зрушити об’єкт розміром із сантиметр. Це вперше, коли квантовий ефект подолав таку масу. Повідомляє T4 з посиланням на sciencealert.com. Що саме зрушили дослідники з OIST Фото: sciencealert.com У центрі експерименту – графітова пластина, що левітує над шаховим полем магнітів. Така діамагнітна левітація – це не фокус, а цілком робочий фізичний механізм, який, до речі, використовують для підйому потягів на магнітній подушці. Знизу до пластини підвісили діамант завбільшки 3 міліметри з особливими атомними дефектами, відомими як азотно-вакансійні центри (NV-центри). Ці дефекти дають діаманту електрони з керованими спінами, які вчені маніпулювали лазерним світлом. А потім ще один магніт перетворював ці спіни на рух. Уся конструкція важила близько 128 міліграмів – це кілька рисових зерняток. Її зрушили приблизно на 100 нанометрів. Це трохи більше, ніж тисячна частка товщини людської волосини. Звучить як ніщо. Але насправді це величезна справа. “Було багато спроб перевірити, чи працює квантова механіка для об’єктів більших за кілька десятків нанометрів, і досі – без успіху”, – каже теоретичний фізик Джейсон Твамлі. “Тепер ми спостерігали класичну механічну реакцію на квантову силу в об’єкті, який на вісім-дев’ять порядків масивніший за сучасні результати спін-механічних експериментів”. Чому NV-центри в діаманті – це ключ до всього Тут є нюанс, який зазвичай пропускають у переказі подібних новин. Сама по собі левітація нічого не доводить – рух, який зафіксували вчені, був класичним. Важливо те, що його спричинив саме квантовий ефект. І ось чому діамант з NV-центрами виявився таким зручним. “NV-діаманти добре вивчені й легко керовані, – пояснює фізик Дехі Кім. – Це, а також той факт, що NV-центри мають одні з найдовших відомих часів когерентності, дозволяючи їм підтримувати квантову суперпозицію при кімнатній температурі значно довше за інші системи, робить їх особливо привабливими для генерації макроскопічної суперпозиції руху або об’єкта в майбутніх дослідженнях”. Кімнатна температура тут – не випадкова деталь. Багато квантових експериментів вимагають охолодження до майже абсолютного нуля. NV-центри працюють без цього, що на практиці означає: технологію можна масштабувати без кріогенних установок, які коштують як невеликий літак. Підхід “від більшого до меншого” – і навіщо це потрібно Коли вчені намагаються примирити макроскопічне – скажімо, те, як гравітація діє на планету, – з субатомним і квантовим, зазвичай ідуть від малого до великого. Тут команда зробила навпаки. “Ми в протилежному таборі – йдемо від великого до малого, – каже фізик Аншуман Наяк. – Так само, як діамагнітна левітація може піднімати потяги на магнітній подушці, її можна використати для левітації сантиметрових об’єктів із діамантами, де ефект гравітації може бути надзвичайно сильним, але квантові ефекти досі не спостерігалися”. І ось що цікаво: об’єкт, який зрушили, вже достатньо великий, щоб відчувати гравітацію. А гравітація – це фундаментальна сила, яка не завжди ладнала з теоріями квантової фізики. Саме тому такі експерименти важливі: вони допомагають відповісти на одне з найглибших питань про Всесвіт – чи підкоряється гравітація квантовим правилам. Для тих, хто не фізик, це може здатися чимось далеким і езотеричним. Але уявіть собі практичний вимір: якщо великі об’єкти вдасться ввести в квантовий стан на кшталт суперпозиції – коли об’єкт фактично перебуває у двох станах одночасно – це відкриє двері до надчутливих сенсорів, квантових комп’ютерів нового покоління і, можливо, до розуміння того, як влаштований простір-час на найглибшому рівні. Що далі – і чому це не питання “якщо”, а питання “як” Дослідники не зупиняються на досягнутому. За їхніми словами, вони штовхають планку від нанометрів до сантиметрів. “Ми показали велику класичну реакцію від малого квантового ефекту, – каже Твамлі. – Це вже не питання, чи така технологія можлива, а питання, як удосконалити експериментальні умови, щоб досягти квантової суперпозиції в режимі загальної теорії відносності Ейнштейна. Нам потрібен ще один порядок величини – і ми нарешті зможемо спостерігати кота Шредінгера в реальному житті”. Один порядок величини – це звучить мало. Але в квантовій фізиці кожен порядок дається роками роботи, а часом і десятиліттями. Тут є застереження, про яке варто пам’ятати: дослідники поки що не створили суперпозицію великого об’єкта. Вони лише показали, що квантовий ефект здатен зрушити щось достатньо масивне, щоб відчувати гравітацію. Це важливий крок, але не фініш. Часті питання Що таке квантовий спін простими словами? Це власний момент імпульсу елементарної частинки – свого роду вбудований мікроскопічний магнітний компас. Він не обертається в буквальному сенсі, але поводиться так, наче частинка має власне обертання, і його можна контролювати зовнішнім магнітним полем. Чому об’єкт вагою 128 міліграмів – це таке досягнення? Бо досі квантові ефекти вдавалося спостерігати на об’єктах завбільшки десятки нанометрів. 128 міліграмів – це на вісім-дев’ять порядків більша маса. Об’єкт такого розміру вже відчуває гравітацію, а це виводить експеримент на межу між квантовим і класичним світами. Що таке NV-центри в діаманті? Це дефекти кристалічної ґратки діаманта, де атом азоту замінює вуглець, а поруч є вакансія – порожнє місце. Такі дефекти дають електрони з керованими спінами, які зберігають квантові властивості навіть при кімнатній температурі. Чи допоможе це створити квантовий комп’ютер? Опосередковано – так. Розуміння того, як утримувати великі об’єкти в квантових станах, може дати нові підходи до квантових обчислень і надчутливих сенсорів. Але це довгострокова перспектива, а не те, що з’явиться завтра. Чому вчені згадують кота Шредінгера? Це уявний експеримент, де кіт перебуває одночасно в двох станах – живий і неживий – поки за ним не поспостерігають. Дослідники хочуть досягти чогось подібного для реального великого об’єкта, що стане важливим тестом меж квантової механіки. Можливо, найцікавіше тут не сам результат, а зміна оптики: замість питати “чи можлива квантова механіка для великих об’єктів”, фізики тепер питають “скільки ще порядків величини нам потрібно”. А це вже зовсім інша розмова – розмова про інженерію, а не про філософію.The post Квантовий спін уперше зрушив об’єкт розміром у сантиметр first appeared on T4 - сучасні технології та наука.