Це вважалося неможливим: фізики вперше побачили хвильову природу атомів

Уперше фізики провели класичний квантовий експеримент, який показує, що частинки можуть поводитися як хвилі, з використанням цілих атомів. Раніше це вважалося неможливим. Нове відкриття, що показує хвильову природу атомів, допоможе створити атомні детектори гравітаційних хвиль, які будуть більш чутливими, ніж наявні технології. Це дасть змогу виявити більше пульсацій у просторі-часі, які все ще таять у собі чимало загадок. Дослідження опубліковано на сервері препринтів arXiv, пише New Scientist.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Наприкінці 20-х років XX століття фізик Джордж Паджет Томсон довів, що електрони, які проходять через кристал, дифрагують (тобто створюється дифракція хвиль — явище обгинання хвилями перешкод) і виникає характерна дифракційна картина. Вона виникає, коли хвиля проходить через невеликий отвір, а потім згинає свій шлях і виходить назовні. Характерна дифракційна картина була створена під час проходження через прогалини в кристалічній решітці.

Завдяки цьому експерименту Томсон, який отримав пізніше Нобелівську премію з фізики, довів, що частинки можуть також поводитися як хвилі. За кілька років схожу дифракційну картину фізики побачили для цілих атомів, але в цьому випадку вона включала відбиття атомів від поверхні.

Дифракція атомів через кристалічну решітку дала б змогу отримати набагато більші й чутливіші дифракційні картини, але вважалося, що це неможливо. Річ у тім, що потрібні атоми з дуже високою енергією, але вони б пошкодили кристалічну решітку. У цьому разі дифракція хвиль не могла б відбутися. Тепер же фізики вперше дифрагували атоми гелію і водню через кристалічну решітку у формі аркуша графена, що складається з шару атомів вуглецю завтовшки в один атом.

Спочатку вчені надали атомам високу швидкість і енергію. Раніше було доведено, що водень і гелій за кімнатної температури не можуть проходити через графен. Після того фізики спрямували пучок високоенергетичних атомів на аркуш графену, який у результаті мав бути пошкодженим.

Але тривале бомбардування пучком атомів гелію і водню не призвело до пошкодження аркуша графена. Замість цього фізики побачили характерні кругові дифракційні картини, отримані в результаті дифракції хвиль.

За словами фізиків, висока енергія атомів дає їм змогу проходити через прогалини в структурі графена, тому що вони можуть обмінюватися енергією з атомами графена непомітним чином. Якби обмін енергією можна було виявити, то хвильова природа атомів була б порушена, згідно із законами квантової механіки, і дифракційна картина більше б не виникала.

За словами вчених, цей процес можна уявити, як кімнату з багатьма дверима, які зазвичай зачинені, але за вищих енергій стають відкритими.

Фізики вважають, що цей ефект можна використовувати для створення атомного інтерферометра, який буде набагато чутливішим за наявні технології, за допомогою яких можна виявити гравітаційні хвилі, що пронизують весь Всесвіт.

Як уже писав Фокус, вчені з'ясували, чому галактики не створюють нових зірок. Виявилося, що в їхньому центрі ховається страшна сила. Нове дослідження надало відповідь на давно хвилююче питання про те, чому в галактиках різного віку припиняється процес утворення нових зірок.

Також Фокус писав про те, що фізики дійшли висновку, що наша класична фізична реальність є частиною безлічі квантових світів.

Ще Фокус писав про те, що вчені запропонували новий спосіб створити квантову заплутаність світла і звуку. Такий квантовий стан допоможе поліпшити наявні технології та створити нові.