Квантовый эффект бумеранга подтвердили на опыте впервые в истории

Физики подтвердили теоретически предсказанное явление, называемое квантовым эффектом бумеранга. Эксперимент показывает, что после толчка, элементарные частицы в определенных материалах в среднем возвращаются к своим исходным точкам, сообщает Science News.

Этот эффект продемонстрировал физик Дэвид Уэлд из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, вместе со своими коллегами. Они использовали охлажденные до сверхнизких температур атомы лития в качестве замены для электронов.

Вместо того, чтобы искать атомы, возвращающиеся в исходное положение, команда изучила аналогичную ситуацию для импульса, потому что это было относительно просто смоделировать в лаборатории. Первоначально атомы были неподвижны, но после того, как лазеры придали им импульс, атомы в среднем вернулись в исходное состояние покоя, создав импульс бумеранга.

Команда также определила, что нужно, чтобы прекратить эффект. Для работы эффекта бумеранга требуется симметрия времени, а это означает, что частицы должны вести себя так же, когда время движется вперед, как и при перемотке назад. Изменив время первого удара лазеров так, чтобы схема ударов была нестандартной, исследователи нарушили симметрию обращения времени, и эффект бумеранга исчез, как и предсказывалось.

Квантовый эффект бумеранга — что это?

Квантовый эффект бумеранга наступает для частиц вещества, если они находятся в материале, в котором много беспорядка. Вместо чистого материала, состоящего из упорядоченно расположенных атомов, материал должен иметь множество дефектов, таких как отсутствующие или смещенные атомы, или атомы других типов, разбросанные повсюду.

"Представьте, что вы уменьшились в размерах, и проскользнули внутрь неупорядоченного материала. Если вы попытаетесь отбросить электрон, он не только развернется и вернется прямо к вам. Он вернется прямо к вам и остановится", — рассказывает Дэвид Уэлд.

На самом деле, в этом смысле электрон больше похож на собаку, чем на бумеранг. Бумеранг будет продолжать лететь мимо вас, если вы его не поймаете, но хорошо обученная собака вернется и сядет рядом с вами, — добавляет Дэвид.

Триумф квантовой физики

В 1958 году физик Филип Андерсон понял, что при достаточном беспорядке электроны в материале становятся локализованными: они застревают на месте, не имея возможности улететь очень далеко от того места, где они стартовали. "Застрявшие" электроны не позволяют материалу проводить электричество, тем самым превращая то, что в противном случае могло бы быть металлом, в изолятор. Эта локализация также необходима для эффекта бумеранга.

Несмотря на то, что Андерсон сделал свое открытие о локализованных частицах более 60 лет назад, квантовый эффект бумеранга появился в физике совсем недавно.

"По-видимому, никто об этом не думал, вероятно, потому, что это очень нелогично", — говорит физик Доминик Деланд из CNRS и лаборатории Кастлера Бросселя в Париже, который предсказал эффект вместе с коллегами в 2019 году.

"Я была так счастлива. Полное совпадение с теоретическими расчетами!", — говорит соавтор исследования Патриция Виньоло, физик-теоретик из Университета Лазурного Берега в Вальбонне, Франция.

Этот эффект является результатом уравнений квантовой физики. Квантовые частицы действуют как волны, с рябью, которая может складываться и вычитаться сложным образом. Эти волны объединяются, чтобы выбрать такую траекторию, которая возвращает частицу к месту, откуда она начала путь, и компенсировать потенциально возможные траектории, которые уходят в других направлениях.

"Это чисто квантовый эффект, — говорит Деланд, — поэтому он не имеет эквивалента в классической физике".

Ранее Фокус сообщал, что швейцарский физик намеревается создать квантовый генератор, превращающий тепло в электричество.

Для поиска темной материи ученые создали специальный квантовый кристалл размером 200 микрометров.

В Германии запустили квантовый компьютер, использующий более 5 тысяч кубитов.