По следам ненадежности
Законы квантовой механики применимы не только к субатомным частицам. Макроскопические элементы также должны соответствовать этим правилам. Однако результирующие эффекты будут крошечными и едва ли поддающимися измерению. Однако теперь ученые разработали инструмент, который, возможно, все еще позволяет отследить тайную квантовую природу макрокосма.
Жизнь стала намного тяжелее для грешников скорости. Потому что в настоящее время уже не проблема точно определить скорость проезжающих транспортных средств и присвоить ее правильному транспортному средству. В квантовом мире все выглядело бы совсем иначе. Там можно измерить либо только положение, либо скорость частицы, но никогда и то, и другое одновременно. Это следует из знаменитого принципа неопределенности Гейзенберга.
К счастью, законы квантовой механики неприменимы в макромире. Или это так? По крайней мере, с чисто теоретической точки зрения, принцип неопределенности должен иметь место и для более крупных объектов. Однако возникающие эффекты настолько малы, что никто их раньше не видел. Но Роберт Нобель и Эндрю Клиланд из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре теперь хотят изменить это с помощью нанотехнологий.
Если быть точнее, они использовали так называемый одноэлектронный транзистор (ОЭТ) из алюминия. Это транзистор размером всего в несколько микрометров, который имеет такие размеры, что только один электрон за раз может квантово-механически туннелировать от контакта к контакту. Скоростью, с которой это происходит, можно управлять приложенным напряжением. Устройство также чутко реагирует на внешние электрические воздействия.
Напротив SET исследователи поместили крошечный пучок полупроводникового кристалла (арсенида галлия) толщиной около 200 нанометров, шириной 250 нанометров и длиной три микрометра с резонансной частотой 116 мегагерц. Это означает, что когда материал возбуждается для вибрации на этой частоте, он вибрирует с максимальной силой. Кроме того, физики прикладывали напряжение к кристаллу независимо от транзистора. Таким образом, SET и полупроводниковый стержень образовали конденсатор.
Затем весь аппарат охладили почти до абсолютного нуля - до 30 микрокельвинов. Это настолько морозно, что почти любое движение внутри кристалла должно фактически замерзнуть - по крайней мере, если принцип неопределенности Гейзенберга не применяется к стержню. После этого частица никогда не должна стоять абсолютно неподвижно, потому что тогда ее положение было бы фиксированным и в то же время ее скорость была бы равна нулю.
Поскольку оба свойства не могут быть известны одновременно, вместо этого полупроводник должен колебаться. За счет этих колебаний изменяется расстояние между полупроводником и ТЭД, а вместе с ним и электрическое поле между двумя компонентами. Электроны в SET, в свою очередь, замечают это и туннелируют через транзистор с разной скоростью.
На самом деле, исследователи смогли продемонстрировать, что таким образом можно определить отклонения до тысячной доли нанометра или сотой доли размера атома. Каким бы впечатляющим это ни было, к сожалению, этого недостаточно, чтобы действительно «увидеть» принцип неопределенности. Но по крайней мере Кнобель и Клиланд показали, как это работает в принципе.
Исследователи также уверены, что в ближайшем будущем можно будет усовершенствовать устройство до такой степени, что оно сможет измерять даже меньшие отклонения. Кроме того, квантовые колебания зависят от резонансной частоты тела и тем сильнее выражены, чем выше эта частота. Тестовый объект с более высокой резонансной частотой также может приблизить исследователей к цели измерения квантовых свойств макроскопических объектов, даже если термин «макроскопический» вряд ли подходит для таких крошечных структур, размер которых составляет всего микрометр.
Но даже если объекты больше не видны невооруженным глазом, они все равно состоят из тысяч атомов и поэтому считаются настоящими гигантами в квантовом мире. Если эксперимент удастся в ближайшем будущем с еще меньшими отклонениями, тогда действительно можно будет доказать, что все всегда находится в вибрации, даже если эти вибрации невообразимо малы.