Впервые физики получили четкое представление о том, как отдельные атомы ведут себя как волна.
На изображении показаны острые красные точки флуоресцирующих атомов, превращающиеся в нечеткие капли волновых пакетов, и это потрясающая демонстрация идеи о том, что атомы существуют как частицы и волны — одного из краеугольных камней теории квантовая механика.
Ученые, изобретшие метод визуализации, опубликовали свои выводы на сервере препринтов. arXivпоэтому их исследование еще не было рецензировано.
«Волновая природа материи остается одним из самых ярких аспектов квантовой механики», — пишут исследователи в статье. Они добавляют, что их новая техника может быть использована для изображения более сложных систем, что даст понимание некоторых фундаментальных вопросов физики.
Впервые предложено французским физиком Луи де Бройлем в 1924 году и развито Эрвином Шрёдингером. два года спустяВолновой дуализм частиц утверждает, что все объекты квантового размера и, следовательно, вся материя существуют как частицы и волны одновременно.
Связанный: Доработка уравнения кота Шредингера может объединить теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику, подсказывают исследования
Знаменитое уравнение Шредингера обычно интерпретируется физиками как утверждение, что атомы существуют как пакеты волнообразной вероятности в пространстве, которые затем при наблюдении схлопываются в дискретные частицы. Это причудливое свойство квантового мира, хоть оно и противоречит здравому смыслу, было замечено во многих исследованиях. эксперименты.
Чтобы отобразить эту нечеткую двойственность, физики сначала охладили атомы лития до температура, близкая к абсолютному нулю бомбардируя их фотонами или частицами света из лазера, чтобы лишить их импульса. Как только атомы охлаждались, новые лазеры захватывали их в оптическую решетку в виде дискретных пакетов.
Когда атомы охлаждались и удерживались, исследователи периодически выключали и включали оптическую решетку, расширяя атомы из ограниченного состояния, близкого к частице, до состояния, напоминающего волну, а затем обратно.
Камера микроскопа зафиксировала свет, излучаемый атомами в состоянии частицы в два разных момента времени, причем между ними атомы вели себя как волны. Собрав множество изображений, авторы построили форму этой волны и наблюдали, как она расширяется со временем, что полностью соответствует уравнению Шредингера.
«Этот метод визуализации состоит в том, чтобы снова включить решетку, чтобы проецировать каждый волновой пакет в одну яму, чтобы снова превратить их в частицу — это больше не волна», — соавтор исследования. Тарик Йефса, физик из Национального центра научных исследований Франции и Высшей нормальной школы в Париже, рассказал Live Science. «Вы можете рассматривать наш метод визуализации как способ измерения плотности волновой функции, мало чем отличающийся от пикселей ПЗС-камеры». ПЗС-камера — это распространенный тип цифровой камеры, в которой для захвата изображений используется устройство с зарядовой связью.
Ученые говорят, что это изображение — всего лишь простая демонстрация. Их следующим шагом будет использование его для изучения систем сильно взаимодействующих атомов, которые менее изучены.
«Изучение таких систем могло бы улучшить наше понимание странных состояний материи, например тех, которые обнаруживаются в ядре чрезвычайно плотных тел. нейтронные звездыили кварк-глюонная плазма, которая, как полагают, существовала вскоре после Большой взрыв«, — сказал Йефса.
