Квантовая интерференция наночастиц натрия

Алексей Левин
«Троицкий вариант — Наука» №2 (446), 27 января 2026 года

Оригинал статьи на сайте «Троицкого варианта»

Рис. 1. Общая схема эксперимента. Из статьи Sebastian Pedalino et al. (2026)

Алексей Левин

Физики из Австрии и Германии поставили новый рекорд в демонстрации квантовых свойств мультиатомных систем со всё бóльшими размерами и весом. Группа исследователей из Венского университета и Университета Дуйсбурга — Эссена работала под руководством Себастьяна Педалино. Результаты их эксперимента опубликованы в Nature¹.

Для начала напомню общеизвестный факт из истории физики. В 1923 году аспирант Парижского университета Луи де Бройль с помощью довольно экстравагантных рассуждений показал, что любой материальный объект, в принципе, может демонстрировать волновые свойства. Выражаясь точнее, он пришел к заключению, что частице с классическим импульсом p можно приписать волну чисто квантовой природы, чья длина λ равна отношению постоянной Планка h к импульсу: λ = h/p. Эти гипотетические осцилляции де Бройль назвал фазовыми волнами, сейчас их также именуют волнами материи. В начале 1926 года Эрвин Шрёдингер успешно использовал идею де Бройля в процессе открытия базового уравнения квантовой механики, которое сейчас носит его имя². Этим он оправдал пророчество де Бройля, который в том же 1923 году утверждал, что его гипотеза позволит разрешить почти все проблемы квантовой физики.

Де Бройль с самого начала подчеркивал, что из общей логики его теории отнюдь не вытекает никаких ограничений на размеры и массы материальных объектов, обладающих квантовыми свойствами³. Современная квантовая механика тоже признаёт наличие дебройлевских волн даже у макроскопических тел. Отсюда, в частности, вытекает, что такие тела в своем движении могут порождать интерференционные эффекты, подобно электромагнитным колебаниями или волнам на поверхности жидкости. Впервые этот парадоксальный вывод на примере электронов был подтвержден в 1927 году в двух классических экспериментах, независимо выполненных в США и Британии. С тех пор физики многократно демонстрировали этот эффект в экспериментах со всё более массивными объектами. Так, волновые свойства 60-атомных молекул фуллеренов были детектированы еще в конце прошлого века⁴. Семь лет назад появилось сообщение об интерференции макромолекул олигопорфиринов, содержащих порядка двух тысяч атомов⁵.

Теперь Себастиан Педалино и его коллеги добились большего. Они выявили признаки волновых свойств у сферических наночастиц натрия диаметром 8 нм, содержащих приблизительно 7000 атомов. Их средняя масса составляла 170 тыс. дальтонов, они же атомные единицы массы, а. е. м. Напомню, что масса дальтона равна 1/12 массы атома углерода, в энергетических единицах это 931,5 МэВ. Следовательно, она почти равна массе протона (938,27 МэВ) и нейтрона (939,565 МэВ). Можно не сомневаться, что и этот рекорд со временем будет превзойден.

В школьную программу физики входят классические оптические эксперименты с дифракционными решетками. В одной из версий в них применяют прозрачные пластины с плотно нанесенными параллельными штрихами, через которые проходят световые волны. Попадая на расположенный за решеткой экран, они претерпевают интерференцию и образуют светлые и темные полосы (штрихи могут также наноситься на зеркальные поверхности, и тогда наблюдения ведутся в отраженном свете). В эксперименте Педалино и его соавторов функцию дифракционных решеток выполняли стоячие световые волны, образованные лазерным излучением с длиной волны 266 нм. Через них пропускались пучки натриевых наночастиц, охлажденных почти до абсолютного нуля. В самой близкой к источнику натриевых шариков световой зоне часть частиц подвергалась фотоионизации и выводилась из пучка. Частицы, которые оставались нейтральными, во второй зоне претерпевали пространственное разделение и затем дифрагировали. Третья зона действовала в качестве детектора, регистрирующего интерференционные эффекты. Общая схема установки и принцип ее работы представлены на рис. 1.

Этот эксперимент, бесспорно, стал выходом на новый уровень сложности объектов, демонстрирующих квантовые свойства. По массе наночастицы натрия несколько превосходили иммуноглобулины G, на которые приходится около 3/4 антител человеческой крови, хотя немного уступают им по размерам (см. рис. 2). Так что Педалино и члены его команды осуществили весьма серьезный прорыв в исследовании тонких отношений на границе между квантовомеханическим миром и миром классической физики. А эти отношения, если процитировать кэрролловскую Алису, делаются всё чудесатее и чудесатее. И то ли еще будет!

Рис. 2. Масштаб макроскопических квантовых систем. Из статьи Sebastian Pedalino et al. (2026)

¹ Pedalino S. et al. (2026) Probing quantum mechanics with nanoparticle matter-wave interferometry // Nature. Vol. 649, 866–870.

²  Левин А. Эрвин Шрёдингер и его уравнение // ТрВ-Наука №440 от 21.10.2025.

³  De Broglie L. (1923) Waves and quanta // Nature. 112, Issue 2815, p. 540.

⁴  Arndt M. et al. (1999) Wave-particle duality of C60 molecules // Nature. 401, 680–682.

⁵  Yaakov Y. Fein et al. (2019) Quantum superposition of molecules beyond 25 kDA // Nature Physics. 15, 1242–1245.