物理學家已經證明，即使是微小的金屬片也可以根據量子力學的奇怪規則表現出來，存在著同時在多個位置傳播的狀態。在發表於的一項新研究中 自然維也納大學和杜伊斯堡-埃森大學的研究人員表明，由數千個鈉原子組成的金屬奈米顆粒儘管比實驗中通常使用的顆粒更大、更重，但仍表現出量子行為。
這些成就是在接近宏觀世界的尺度上對量子力學最有力的檢驗之一。
小粒子之外的量子行為
量子物理學描述了一個物質可以表現為粒子和波的世界。科學家利用乾涉和雙縫實驗多次證實了電子、原子和小分子中的這種不尋常行為。但在日常生活中，岩石、灰塵或大理石等普通物體似乎遵循經典物理的可預測定律，停留在一處並沿著定義的路徑移動。
由 Markus Arndt 和 Stefan Gerlich 領導的維也納研究小組現在首次將這些量子效應擴展到更大的金屬奈米粒子。實驗中使用的鈉簇尺寸約為 8 奈米，與現代電晶體元件的尺寸相似。每個簇的質量也超過 170,000 原子質量單位，使其比大多數蛋白質更重。
即使在這樣的規模上，粒子也產生了可測量的量子乾涉。
「直覺上，人們會期望如此大量的金屬表現得像經典粒子，」主要作者兼博士生塞巴斯蒂安·佩達裡諾說。 “仍然存在幹擾的事實表明，即使在這種規模上，量子力學也是有效的，不需要替代模型。”
創建「薛丁格的金屬塊」。
為了進行實驗，研究人員創建了包含 5,000 至 10,000 個原子的超冷鈉簇。然後，這些粒子穿過由紫外線雷射光束產生的三個衍射光柵。
第一束雷射光束以約 10 nm 的精度確定了每個簇的位置，並將粒子置於量子重疊中，這意味著它們可以同時遵循裝置中的多個路徑。由於這些可能的路徑在實驗後期重疊，因此產生了與量子理論的預測一致的可偵測條紋干涉圖案。
結果表明，粒子在飛行過程中並未佔據固定位置。相反，它們的量子態分佈在比粒子大數十倍的區域。
物理學家將這些條件描述為「薛丁格貓」的狀態，指的是奧地利物理學家歐文‧薛丁格著名的思想實驗，直到他看到一隻同時死又活的貓。在這種情況下，研究人員將金屬簇描述為同時「在這裡和不在這裡」。
量子力學記錄測試
這種近場干涉測量的理論基礎是由 Klaus Hornberger（杜伊斯堡-埃森大學）在過去二十年中發展起來的，他也是這項新研究的合著者。霍恩伯格和斯特凡·尼姆里希特（當時在維也納大學）之前介紹了宏觀性的概念，這是一種比較不同實驗測試量子力學極限的程度的方法。
宏觀性使科學家能夠評估涉及奈米振盪器、原子乾涉儀和奈米聲諧振器等系統的實驗，測量它們忽略標準量子理論的微小偏差的效果。
在新的實驗中，團隊獲得了μ = 15.5的宏觀值。研究人員表示，這比世界各地先前的實驗高出一個數量級。
為了達到與電子測試相同程度的精度，科學家必須將電子量子疊加儲存近一億年。維也納的金屬奈米粒子僅用百分之一秒就達到了這個基準。
未來的應用與更大規模的量子實驗
除了測試物理學的基礎知識之外，這項工作還可以幫助研究人員理解為什麼量子效應主宰微觀世界，而日常物體卻顯得正常和經典。
該團隊計劃在未來的研究中研究更大的顆粒和其他材料，將這些測試進一步推進幾個數量級。改進的實驗基礎設施和升級的設備預計將使更靈敏的測量成為可能。
維也納干涉儀也可以用作高精度力感測器，能夠檢測小至 10-26 N 的力。研究人員表示，未來的版本可能會更加靈敏，為高精度測量孤立奈米粒子的電、磁和光學特性提供了可能性。這些功能最終可以支援奈米技術和精密感測的新進展。
由馬庫斯·阿恩特（Markus Arndt）和斯特凡·格爾利希（Stefan Gerlich）領導的維也納大學研究人員與杜伊斯堡-埃森大學的克勞斯·霍恩伯格（Klaus Hornberger）一起進行了這項研究。研究結果發表於 自然。
實驗的大部分資金來自：
- Der Gordon & Betty Moore 基金會授予GMBF10771
- 科學研究促進基金，FWF，MUSCLE #32542-N
