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创纪录量子实验 实现金属小块同时存在于两地
创纪录量子实验 实现金属小块同时存在于两地创纪录量子实验 实现金属小块同时存在于两地
科学家近日完成了一项令人难以置信的量子实验：他们证明，由数千个原子组成的微小金属“团块”，能够“同时存在于多个地方”——即质心波函数的空间叠加。
维也纳大学（University of Vienna）的研究团队利用先进的激光技术，成功在由钠组成的纳米粒子上观测到量子干涉现象，而这些粒子的尺寸远大于过去通常被观察到具有此类量子行为的粒子。
这项成果将量子力学的研究推向新的领域，显示即使是尺寸出乎意料地“较大”的物体，仍然遵循量子世界那些看似违反直觉的奇异法则——即使是微小的金属“团块”，也能以同时分布于多个位置的量子态存在。
首次在金属纳米粒子上看到量子态
在这项1月份发表于《自然》（Nature）期刊的新研究中，来自维也纳大学和杜伊斯堡-埃森大学（University of Duisburg-Essen）的研究人员证明，由数千个钠原子组成的金属纳米粒子，尽管其尺寸和质量远大于此类实验中通常使用的粒子，依然展现出量子行为。
这项成果代表了迄今对量子力学最有力的验证之一，将测试范围推进至接近宏观世界的尺度。
在此之前，物质波干涉实验的质量纪录大约维持在2.8万达尔顿（Dalton，简称 Da，相当于原子质量单位amu）（由大型复杂分子创下）。而本次研究直接将尺度推升了近6倍，首次在“金属纳米粒子”这一全新材料类别上实现了量子去域化。
该实验最重要的意义在于它在“高质量”与“长相干时间”之间取得了平衡，是目前对“波粒二象性”边界最严苛的测试之一。
超越微小粒子的量子行为
量子物理描述了一个物质既可以表现得像粒子，又可以表现得像波一样的微观世界。科学家们已透过干涉和双缝实验，一再证实电子、原子和小分子都具有这种不同寻常的量子特性。然而在日常生活中，像岩石、灰尘或玻璃弹珠这类普通物体，则似乎遵循着可预测的经典物理定律——停留在单一位置，并沿着明确的轨迹运动。
由马库斯‧阿恩特（Markus Arndt）和斯特凡‧格利希（Stefan Gerlich）领导的维也纳大学研究团队，如今首次将这种量子效应扩展至尺寸大得多的金属纳米粒子。
实验中使用的钠纳米团簇（sodium clusters）直径约为8纳米，其尺寸与现代电晶体元件相近。每个团簇的质量都超过17万达尔顿，比大多数蛋白质还要重。
即使达到这样的尺度，这些粒子仍然产生了可测量的量子干涉现象。
论文第一作者、博士生塞巴斯蒂安‧佩达利诺（Sebastian Pedalino）表示：“直觉上，人们会认为如此大的金属团块应该像经典粒子一样运动。然而，它依然能产生干涉现象，显示量子力学在这样的尺度上依然成立，无需引入其它替代理论模型。”
创造“薛定谔的金属团块”
为了完成这项实验，研究人员制造出由5,000至10,000个钠原子组成的超低温钠团簇（sodium clusters）。接着，这些粒子依序穿过由超快紫外线激光脉冲产生的三个暂态绕射光栅（diffraction gratings）。
第一道激光脉冲准备了粒子的空间相干性：将每个团簇的位置精确定位至约10纳米；第二道脉冲则充当衍射光栅，将每个团簇的波函数分裂为多条路径的叠加态，也就是说，使粒子进入量子叠加态（quantum superposition），它们能够同时沿着多条不同路径穿越实验装置。当这些波路径在实验后段彼此重叠时，便形成了可被侦测到的条纹状干涉图样，其结果与量子理论的预测完全一致。
研究结果显示，这些粒子在飞行过程中并非固定停留在某一个位置，而是其量子态分布于一个比粒子本身大数十倍的空间范围内。这证明了即便在如此大的质量下，物质波特性依然存在。
物理学家将这种状态称为“薛定谔的猫态”（Schrödinger cat states），名称源自奥地利物理学家薛定谔（Erwin Schrödinger）提出的著名思想实验：在未被观测之前，一只猫同时处于既“活着”又“死亡”两种状态。
在这项研究中，研究人员形容这些金属团簇如同“同时在这里，也不在这里”——呈“相干叠加态”（Coherent Superposition）。这并非指物体像科幻电影般分身，而是指其波函数（Wavefunction）在空间中延展，且多条路径之间保持着相位相关性。
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维也纳大学（University of Vienna）的研究团队利用先进的激光技术，成功在由钠组成的纳米粒子上观测到量子干涉现象，而这些粒子的尺寸远大于过去通常被观察到具有此类量子行为的粒子。
这项成果将量子力学的研究推向新的领域，显示即使是尺寸出乎意料地“较大”的物体，仍然遵循量子世界那些看似违反直觉的奇异法则——即使是微小的金属“团块”，也能以同时分布于多个位置的量子态存在。
首次在金属纳米粒子上看到量子态
在这项1月份发表于《自然》（Nature）期刊的新研究中，来自维也纳大学和杜伊斯堡-埃森大学（University of Duisburg-Essen）的研究人员证明，由数千个钠原子组成的金属纳米粒子，尽管其尺寸和质量远大于此类实验中通常使用的粒子，依然展现出量子行为。
这项成果代表了迄今对量子力学最有力的验证之一，将测试范围推进至接近宏观世界的尺度。
在此之前，物质波干涉实验的质量纪录大约维持在2.8万达尔顿（Dalton，简称 Da，相当于原子质量单位amu）（由大型复杂分子创下）。而本次研究直接将尺度推升了近6倍，首次在“金属纳米粒子”这一全新材料类别上实现了量子去域化。
该实验最重要的意义在于它在“高质量”与“长相干时间”之间取得了平衡，是目前对“波粒二象性”边界最严苛的测试之一。
超越微小粒子的量子行为
量子物理描述了一个物质既可以表现得像粒子，又可以表现得像波一样的微观世界。科学家们已透过干涉和双缝实验，一再证实电子、原子和小分子都具有这种不同寻常的量子特性。然而在日常生活中，像岩石、灰尘或玻璃弹珠这类普通物体，则似乎遵循着可预测的经典物理定律——停留在单一位置，并沿着明确的轨迹运动。
由马库斯‧阿恩特（Markus Arndt）和斯特凡‧格利希（Stefan Gerlich）领导的维也纳大学研究团队，如今首次将这种量子效应扩展至尺寸大得多的金属纳米粒子。
实验中使用的钠纳米团簇（sodium clusters）直径约为8纳米，其尺寸与现代电晶体元件相近。每个团簇的质量都超过17万达尔顿，比大多数蛋白质还要重。
即使达到这样的尺度，这些粒子仍然产生了可测量的量子干涉现象。
论文第一作者、博士生塞巴斯蒂安‧佩达利诺（Sebastian Pedalino）表示：“直觉上，人们会认为如此大的金属团块应该像经典粒子一样运动。然而，它依然能产生干涉现象，显示量子力学在这样的尺度上依然成立，无需引入其它替代理论模型。”
创造“薛定谔的金属团块”
为了完成这项实验，研究人员制造出由5,000至10,000个钠原子组成的超低温钠团簇（sodium clusters）。接着，这些粒子依序穿过由超快紫外线激光脉冲产生的三个暂态绕射光栅（diffraction gratings）。
第一道激光脉冲准备了粒子的空间相干性：将每个团簇的位置精确定位至约10纳米；第二道脉冲则充当衍射光栅，将每个团簇的波函数分裂为多条路径的叠加态，也就是说，使粒子进入量子叠加态（quantum superposition），它们能够同时沿着多条不同路径穿越实验装置。当这些波路径在实验后段彼此重叠时，便形成了可被侦测到的条纹状干涉图样，其结果与量子理论的预测完全一致。
研究结果显示，这些粒子在飞行过程中并非固定停留在某一个位置，而是其量子态分布于一个比粒子本身大数十倍的空间范围内。这证明了即便在如此大的质量下，物质波特性依然存在。
物理学家将这种状态称为“薛定谔的猫态”（Schrödinger cat states），名称源自奥地利物理学家薛定谔（Erwin Schrödinger）提出的著名思想实验：在未被观测之前，一只猫同时处于既“活着”又“死亡”两种状态。
在这项研究中，研究人员形容这些金属团簇如同“同时在这里，也不在这里”——呈“相干叠加态”（Coherent Superposition）。这并非指物体像科幻电影般分身，而是指其波函数（Wavefunction）在空间中延展，且多条路径之间保持着相位相关性。
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