Физикам и химикам из Австрии, Германии, Швейцарии и США удалось продемонстрировать квантовое поведение молекул, состоящих из сотен атомов. Рекорд поможет исследовать ту нечёткую границу, что отделяет квантовые объекты от макрообъектов и царство квантовой механики от вотчины классической физики.

Рис. 1. В квантовой физике движение частиц (от электронов до
больших молекул) описывается как распространение волн
де Бройля. В определённом смысле это означает, что частицы
теряют свою классические чётко определённые позиции.
Говоря упрощённо, их волновая функция «размазывается»
по большой площади. Это состояние суперпозиции напоминает
кота, который является мёртвым и живым одновременно
(иллюстрация Mathias Tomandl).

В ходе опыта в Венском университете учёным удалось синтезировать крупные органические молекулы, а потом бережно, без разрушения, обратить их в пучки единичных молекул, которые направлялись в интерферометр. С его помощью авторы работы продемонстрировали волновую природу и делокализацию всех молекул, задействованных в эксперименте. В их числе были «монстры», состоящие из 430 атомов, насчитывающие в поперечнике до 60 ангстрем и весящие до 6910 атомных единиц массы.

Физики показали, что даже молекулярные комплексы с более чем тысячей внутренних степеней свободы могут быть получены в квантовом состоянии и достаточно хорошо изолированы от окружающей среды, чтобы избежать декогеренции.

Рис. 1. Молекулы, испытанные в ходе опыта. (a) фуллерен C60 (60 атомов), применялся для калибровки; (b) PFNS8 (C60(C12F25)8, 356 атомов). © PFNS10 (C60(C12F25)10, 430 атомов). (d) TPP (C44H30N4, 78 атомов) — база для пары следующих комплексов. (e) TPPF84 (C84H26F84N4S4, 202 атома) и (f) TPPF152 (C168H94F152O8N4S4, 430 атомов). Все молекулы показаны в одном масштабе, линейка 10 ангстрем (иллюстрация Stefan Gerlich, Marcel Mayor, Markus Arndt et al./ Nature Communications).

Некоторые из данных молекул по форме напоминали осьминога. Так что, как пишет PhysOrg.com, исследователи получили «младшего брата кота Шрёдингера».

Напомним, знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера с запертым в ящике котом был придуман почти 80 лет назад, чтобы показать неполноту квантовой механики при переходе к описанию всё более крупных объектов.

На деле этот «опыт» не разрешил тогдашние сомнения учёных, но зато проторил дорожку вполне реальным современным экспериментам, в которых авторы смешивают классические и квантовые системы.

Таким способом исследователи стараются узнать больше о границах применимости двух физик и пытаются понять, какая интерпретация квантовой механики верна.

Подробности опубликованы в статье

Stefan Gerlich, Sandra Eibenberger, Mathias Tomandl, Stefan Nimmrichter, Klaus Hornberger, Paul J. Fagan, Jens Tüxen, Marcel Mayor & Markus Arndt Quantum interference of large organic molecules. – Nature Communications. – 2, Article number: 263; doi:10.1038/ncomms1263; Published 05 April 2011.