Ученые научились контролировать движение макроскопического объекта силой света: законы квантовой механики приходят в нашу жизнь.

Тороидальный резонатор диаметром 31 мкм

С точки зрения обыденной логики принципы квантовой механики могут быть совершенно парадоксальны. Но несмотря на то, что именно они лежат в основе всех предметов, на макроуровне проще, понятней и естественней пользоваться привычными нам законами кинематики и термодинамики.

Проявления квантово-механических закономерностей фиксируются лишь на уровне отдельных атомов и субатомных частиц — и ни один объект, видимый невооруженным глазом, им не следует. Он не может находиться одновременно в нескольких местах, не проявляет волновых свойств и так далее. В результате взаимодействия огромного количества частиц, квантовомеханических систем, друг с другом и с окружающим миром, происходит декогеренция — и странные законы микромира переходят в понятные нам принципы. Однако швейцарские исследователи под руководством Тобиаса Киппенберга (Tobias Kippenberg) продемонстрировали поучительный и наглядный пример того, как квантовая механика проявляется в макромире.

Авторам удалось контролировать вибрации довольно крупного объекта — видимого глазом 30-микрометрового «бублика», состоящего не из нескольких, а из сотен триллионов отдельных атомов — посредством фотонов падающего на него излучения, и в полном соответствии с принципами квантовой механики.

Тороидальный объект монтировался, как волчок, на вершине микроскопической «иглы», и к нему подводилось тончайшее оптоволокно, в которое подавалось лазерное излучение. В итоге фотоны могли «перепрыгивать» с оптоволокна на тор и миллионы раз огибать его по периметру. Представьте себе, что вы раз за разом быстро обводите по кругу край тонкого сосуда палочкой: он начнет вибрировать и гудеть. Аналогичный эффект имели и фотоны, движущиеся по крохотному тороидальному объекту — они заставили его вибрировать с определенной частотой. Впрочем, при определенных условиях фотоны могут оказывать и обратный эффект, снижая вибрацию объекта.

Для того, чтобы эти квантовомеханические эффекты проявились в эксперименте, ученые помещали всю систему в криогенные условия. Температура лишь на градус выше абсолютного нуля позволила избавиться от флуктуаций, связанных со случайным тепловым движением атомов. При этом фотоны подавались на объект таким образом, что дополнительно снижали его вибрации, еще более снижая температуру.

По пресс-релизу EPFL