Старший научный сотрудник физического факультета ТГУ Дмитрий Карловец вместе с Валерием Сербо из Института математики СО РАН показали, что наблюдать волновые свойства массивных частиц можно и при комнатной температуре, практически в любой современной физической лаборатории, нужно лишь хорошо сфокусировать пучок частиц. Статья с результатами теоретического исследования опубликована в одном из самых престижных журналов по физике – Physical Review Letters.

Обычно волновые свойства частиц хорошо проявляются в физических экспериментах при низких температурах, например, в явлении сверхпроводимости. Необходимость охлаждать частицы делала исследования волновой природы материи довольно дорогими.

– Мы придумали, как поставить эксперимент, при котором волновые свойства частиц будут проявляться при комнатной температуре. Для этого ничего не нужно охлаждать, а просто хорошо фокусировать пучок, – объясняет Дмитрий Карловец, старший научный сотрудник лаборатории теоретической и математической физики ФФ.

31457_full_Karlovets.png 

Согласно идее физиков-теоретиков, пучок электронов нужно сфокусировать в пятно размером с атом водорода. В этом случае достаточно современных электронных микроскопов, которые есть во многих научных центрах мира, в том числе и в ТГУ.

– Ранее ученые думали, что волновые свойства частиц при комнатной температуре будут проявляться при фокусировке в так называемую комптоновскую длину волны – а она очень мала, например, для электрона это около 10-13 метра. Размер атома водорода на три порядка больше: 0,5*10-10метра, а такая фокусировка уже достигнута, например, в Университете Антверпена в Бельгии – продолжает Дмитрий.

Далее физики показали, что волновые свойства частиц будут проявляться особенно ярко, если электроны находятся в специальных квантовых состояниях. В квантовой оптике ученые умеют создавать микроскопические аналоги «котов Шредингера»: это известный мысленный эксперимент про кота в закрытой коробке с ядом; пока мы не наблюдаем кота, он находится в состоянии суперпозиции и неизвестно, жив он или мертв. Так же и с волнами: когда два пучка электронов накладываются друг на друга, они могут интерферировать, то есть либо усиливать друг друга, либо гасить. В той области пространства, где происходит деструктивная интерференция, вероятность для электрона иметь определенные координату и импульс становится отрицательной – свойство, необъяснимое на языке классической физики.

Иллюстрация к статье 

– Если светить простым пучком на атом, то электроны начинают рассеиваться, поглощаться или делать что-то еще. А если светить на атом водорода таким «котом» (двумя наложенными друг на друга пучками), то в области между пучками атом начинает хуже чувствовать эти электроны, потому что там происходит деструктивная интерференция, – объясняют исследователи. – Это приводит к изменению свойств рассеянных электронов и может наблюдаться экспериментально.

Таким образом фокусировка «шредингеровского кота» электронов на атом водорода позволит изучать чисто квантовые эффекты в столкновении частиц, которые никогда раньше в физике частиц не наблюдались.

Исследование находится на стыке физики частиц и квантовой оптики и продолжает традиции университетской школы теоретической физики. Работа имеет фундаментальный характер, однако после выхода статьи возможно экспериментальное продолжение. В России подобные экспериментальные исследования практически не проводятся. В мире они ведутся в University of Antwerp (Антверпен, Бельгия), в National Institute of Standards and Technology (США), в Institute for Metallic Materials (Дрезден, Германия), в Delft University of Technology (Голландия), в Tel Aviv University(Израиль) и других.

Похожие новости

  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    808
  • 18/06/2020

    Цитируемые ученые ТПУ: ториевый реактор, циркониевая керамика и скаффолды, покрытые пленкой оксида графена

    ​Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за май. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 38, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 4,507.
    257
  • 12/09/2019

    Мнение ученого: математический центр – это, скорее, не объект, а грант

    ​Некоторое время назад Правительство РФ, выполняя поручение Президента РФ, объявила об очередном этапе развития научной инфраструктуры страны – путем создания сети научных центров мирового уровня. И хоть в целом, реализация этой амбициозной программы идет не так быстро и гладко, как хотелось бы, но первые шаги уже сделаны.
    475
  • 28/07/2017

    Нестоличная наука: новгородские викинги, миниатюрный лазер и нейросеть-кардиолог

    ​​Робот-разведчик, древняя птица, рентгеновская линза и другие открытия и разработки российских ученых, сделанные вне Москвы и Санкт-Петербурга. Великий Новгород Уникальное кладбище X-XI веков обнаружила экспедиция Института археологии РАН при раскопках в центре Новгорода.
    1538
  • 17/08/2018

    Коммерциализация разработок в малых компаниях: как решить проблему?

    ​Сибирским научным институтам выгоднее сотрудничать с крупными компаниями, чем внедрять технологии на создаваемых при институтах малых предприятиях - такое мнение высказали опрошенные ТАСС эксперты-ученые.
    1505
  • 24/12/2019

    Математики изучили поведение экситонов в материалах для наноэлектроники

    ​Сибирским и немецким исследователям удалось построить модель и вычислить поведение экситонов — квазичастиц, с которыми связывают будущее электронных приборов, в частности квантовых компьютеров и смартфонов.
    382
  • 29/06/2020

    Михаил Федорук: «Мы должны сделать Академгородок лучшим местом для жизни»

    Интервью с ректором Новосибирского государственного университета академиком Михаилом Петровичем Федоруком о том, почему программа «Академгородок 2.0» должна быть комплексным решением, что такое университет мирового класса и какова роль НГУ в нацпроекте «Наука».
    281
  • 12/11/2019

    В Томске создадут новые высокотехнологичные производства

    ​Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) в кооперации с ведущими университетами и промышленными предприятиями России стал победителем конкурса на право получения субсидий для реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичных производств в рамках постановления Правительства РФ.
    553
  • 17/08/2016

    В Новосибирске пройдет Вторая международная конференция «Математическая гидродинамика»

    Новосибирский государственный университет совместно с Институтом гидродинамики СО РАН (зеркальная лаборатория нелинейных процессов в гидродинамических системах) проводят 22–27 августа вторую Международную конференцию «Математическая гидродинамика».
    3646
  • 02/09/2019

    Инфраструктура лидерства

    ​Новосибирская область уверенно закрепилась в двадцатке Национального рейтинга состояния инвестиционного климата и реализует амбиции мирового инновационного центра. По итогам 2018 года регион достиг наилучших показателей в своей истории по объему инвестиций в основной капитал - 196 млрд рублей.
    521