Квантовий ефект бумерангу підтвердили на досвіді вперше в історії

Фізики підтвердили теоретично передбачене явище, яке називається квантовим ефектом бумеранга. Експеримент показує, що після поштовху елементарні частинки в певних матеріалах в середньому повертаються до своїх вихідних точок, повідомляє Science News.

Цей ефект продемонстрував фізик Девід Велд з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі разом зі своїми колегами. Вони використовували охолоджені до наднизьких температур атоми літію як заміну для електронів.

Замість того, щоб шукати атоми, що повертаються у вихідне становище, команда вивчила аналогічну ситуацію для імпульсу, бо це було просто змоделювати в лабораторії. Спочатку атоми були нерухомі, але після того, як лазери надали їм імпульс, атоми в середньому повернулися у вихідний стан спокою, створивши імпульс бумерангу.

Команда також визначила, що потрібно припинити ефект. Для роботи ефекту бумеранга потрібна симетрія часу, а це означає, що частки повинні поводитися так само, коли рухається вперед, як і при перемотуванні назад. Змінивши час першого удару лазерів так, щоб схема ударів була нестандартною, дослідники порушили симетрію поводження часу, і ефект бумеранга зник, як і передбачалося.

Квантовий ефект бумерангу – що це?

Квантовий ефект бумерангу настає для частинок речовини, якщо вони в матеріалі, у якому багато безладу. Замість чистого матеріалу, що складається з впорядковано розташованих атомів, матеріал повинен мати безліч дефектів, таких як відсутні або зміщені атоми або інших типів атомів, розкидані всюди.

"Уявіть, що ви зменшилися в розмірах, і прослизнули всередину невпорядкованого матеріалу. Якщо ви спробуєте відкинути електрон, він не тільки розгорнеться і повернеться прямо до вас. Він повернеться прямо до вас і зупиниться", — розповідає Девід Велд.

Насправді, у цьому сенсі електрон більше схожий на собаку, ніж бумеранг. Бумеранг продовжуватиме летіти повз вас, якщо ви його не зловите, але добре навчений собака повернеться і сяде поряд з вами, — додає Девід.

Тріумф квантової фізики

У 1958 році фізик Філіп Андерсон зрозумів, що при достатньому безладді електрони в матеріалі стають локалізованими: вони застрягають на місці, не маючи можливості відлетіти дуже далеко від того місця, де вони стартували. "Застряглі" електрони не дозволяють матеріалу проводити електрику, тим самим перетворюючи те, що могло бути металом, в ізолятор. Ця локалізація також потрібна для ефекту бумеранга.

Попри те, що Андерсон зробив своє відкриття про локалізовані частинки понад 60 років тому, квантовий ефект бумерангу з'явився у фізиці зовсім недавно.

"Мабуть, ніхто про це не думав, мабуть, тому, що це дуже нелогічно", — каже фізик Домінік Деланд із CNRS та лабораторії Кастлера Бросселя в Парижі, який передбачив ефект разом із колегами у 2019 році.

"Я була така щаслива. Повний збіг з теоретичними розрахунками!", — говорить співавтор дослідження Патриція Віньйоло, фізик-теоретик з Університету Лазурного Берега у Вальбонні, Франція.

Цей ефект є результатом рівнянь квантової фізики. Квантові частинки діють як хвилі, з брижами, які можуть складатися і відніматися складним чином. Ці хвилі об'єднуються, щоб вибрати таку траєкторію, яка повертає частинку до місця, звідки вона почала шлях, і компенсувати потенційно можливі траєкторії, що йдуть в інших напрямках.

"Це чисто квантовий ефект, — каже Деланд, — тому він не має еквівалента у класичній фізиці".

Раніше Фокус повідомляв, що швейцарський фізик має намір створити квантовий генератор, який перетворює тепло на електрику.

Для пошуку темної матерії вчені створили спеціальний квантовий кристал розміром 200 мкм.

У Німеччині запустили квантовий комп'ютер, який використовує понад 5 тисяч кубітів.