小さな金属の塊が量子状態にあり、遠く離れた場所まで広がる可能性はあるでしょうか?ウィーン大学の研究チームは、この質問に「はい」と答えています。専門誌に 自然 ウィーン大学とデュイスブルク・エッセン大学の物理学者は、数千のナトリウム原子からなる巨大なナノ粒子でさえも量子力学の法則に従うことを示した。この実験は、現在、巨視的スケールでの量子力学の最良のテストの 1 つです。
波としての物質
量子力学では、光だけでなく物質も粒子のように振る舞うことも、波のように振る舞うこともできます。このことは、電子、原子、小分子について、二重スリットでの回折や干渉実験によってすでに何度も証明されています。しかし、私たちは日常生活ではこのようなことは何も目にしません。大理石、石、塵には明確に定義された位置と予測可能な経路があります。彼らは古典物理学の規則に従います。
ウィーン大学のマルクス・アルント氏とステファン・ガーリッヒ氏率いるチームは、物質の波の性質が巨大な金属ナノ粒子であっても保存されることを初めて示した。サイズスケールは印象的です。クラスターの直径は約 8 ナノメートルなので、現代のトランジスタ構造と同じスケールです。質量は 170,000 原子質量単位を超えており、ほとんどのタンパク質よりも重いです。それにもかかわらず、量子干渉はこれらのナノ粒子で検出できます。
「直感的には、このような大きな金属の塊は古典的な粒子のように振る舞うと予想されるでしょう」と、この研究の筆頭著者で博士課程の学生であるセバスチャン・ペダリーノ氏は言う。 「それでも干渉するという事実は、量子力学がこのサイズスケールでも有効であり、代替モデルを必要としないことを示しています。」
「シュレーディンガーの金属の塊」
科学者たちは、5,000 ～ 10,000 個の原子で構成される冷たいナトリウム クラスターを作成します。それらは、紫外線レーザー ビームで作成された 3 つの回折格子を通過します。最初のレーザービームでは、各クラスターの位置が最初に 10,000 分の 1 ミリメートルの周期で約 10 nm の精度で事前に決定され、粒子が装置内を通る経路を重ね合わせます。これらの可能性が機械の端で重なると、量子理論とよく一致して、測定可能な金属の縞模様が作成されます。
これは、観測されていない飛行中の粒子の位置が固定されていないことを示しています。この非局在化は、個々の粒子のサイズよりも数十倍大きくなります。このような状態は、オーストリアのノーベル賞受賞者エルヴィン・シュレーディンガーによる思考実験を模倣しているため、物理学者の間ではシュレーディンガー猫状態としても知られています。彼は、猫を死んだ状態と生きた状態にすることは可能なのかと疑問に思いました。実験のアナロジー：「あらゆる金属片がここにある」 そして ここではないよ。」
ウィーン大学の研究室で新たな次元を達成
近接場干渉法の包括的な理論は、この研究の共著者でもあるクラウス ホルンベルガー氏（デュイスブルク エッセン大学）らによって、過去 20 年にわたって定式化されてきました。 Hornberger と Stefan Nimmrichter (当時ウィーン大学) は、ナノ発振器、原子干渉計、ナノ音響共振器など、さまざまな量子実験を比較できるようにするための尺度として巨視性を導入しました。巨視性は、量子実験が量子理論からのわずかな逸脱さえもどれだけ厳密に排除できるかを測定します。
新しい実験では、μ = 15.5 の値が達成されました。これは、これまでに世界中で行われた他のすべての実験よりも約 1 桁高い値です。電子についても同様に厳密なテストを達成したい場合は、電子の量子重ね合わせを約 1 億年間維持する必要があります。ウィーン大学の研究室にある巨大なナノ粒子に必要な時間は、わずか 100 分の 1 秒程度でした。
見通しとアプリケーション
この実験は主に、量子物理学が非常に奇妙に見えるのに、私たちの日常生活が非常に「普通」である理由を理解しようと設計されています。将来的には、さらに大質量の物体や他の種類の物質が検査され、量子物理学のさらに優れたテストが行われることが期待されます。インフラストラクチャと新しい機器の改善により、同社自身の記録は今後数年間で数桁向上すると予想されます。同時に、ウィーン干渉計は高感度の力センサーでもあり、現在 10 ～ 26 N の範囲の力を測定できますが、将来的にはさらに感度が高くなる予定です。これにより、分離されたナノ粒子の電気的、磁気的、または光学的特性などの精密測定の新たな展望が開かれ、確立されたナノテクノロジー手法への刺激的な追加となります。
#量子状態の金属の塊ウィーンの研究チームが記録を破る