Фізики заморозили 100 мільйонів атомів при кімнатній температурі

Вчені з Австрії та США змогли зловити частку, що складається з 100 мільйонів атомів, за допомогою лазера і практично змусити її зупинитися при кімнатній температурі. Частка перебувала в основному квантовому стані з ефективною температурою 12 мікрокельвіна. 

Відомо, що мікроскопічні об’єкти, розміром пару атомів, описуються законами квантової механіки. Такі об’єкти природно можуть бути використані в квантових технологіях: при проектуванні високочутливих сенсорів або симуляторів складних макроскопічних систем. Однак, створення великих когерентних об’єктів, які складаються з мільйонів атомів, – відкрита проблема на сьогоднішній день.

Фізики з Віденського університету і MIT створили макроскопічну суперпозицію всередині частинки діоксиду кремнію, яка містила в собі 100 мільйонів атомів. Вчені помістили частинку в резонатор за допомогою оптичного пінцета – пристрою, в якому використовується досить потужний лазер для утримання об’єкта в фіксованому положенні в просторі з точністю в кілька нанометрів.

За допомогою частотного аналізу резонатора фізики виміряли енергію руху частинки і її температуру, а також час життя цього стану. Завдяки точному підбору параметрів оптичного пінцета дослідники змусили частку бути в основному квантовому стані з найменшою можливою енергією.

Ефективна температура охолоджуваного об’єкта становила всього 12,2 ± 0,5 мікрокельвіна, а середнє число фононів було 0,43 ± 0,03. Число фононів характеризує енергію механічного руху матеріальної точки – це перший раз, коли фізикам вдалося досягти настільки малого числа при кімнатній температурі. Час життя створеного стану склало 7,6 ± 1 мікросекунда.

У подальших експериментах дослідники планують збільшити час когерентності системи, використовуючи більш досконалі резонатори.

Проведений фізиками експеримент відкриває можливості для макроквантової фізики. Це, в свою чергу, допоможе в створенні високоточних детекторів, в тому числі і детекторів темної матерії . Крім технічного застосування, такі системи можуть допомогти фізикам виявити квантові ефекти в гравітації.