Новости

Чеширский кот живет в микромире

В сказке Льюиса  Кэрролла улыбка Чеширского кота существовала отдельно от самого кота. Оказалось, что и магнитное поле нейтрона может путешествовать отдельно от самого нейтрона.

С самого начала своего существования квантовая теория подарила миру целый букет необъяснимых и поражающих воображение явлений, таких как корпускулярно-волновой дуализм, кот Шредингера и квантовая нелокальность. Теперь физики доказали существование еще одного  парадоксального явления квантовой механики, которое они назвали: "квантовым Чеширским котом". Суть его заключается в том, что квантовая система в определенных условиях может вести себя так, как будто частицы и их свойства пространственно разделены. Другими словами, в квантовом мире возможно невозможное – объект может быть отделен от своих свойств. Название явления навеяно знаменитой книгой Льюиса Кэрролла «Приключения Алисы в стране чудес», где Алиса встречает Чеширского кота, который исчезает, оставляя после себя одну только улыбку.

В работе международной команды физиков, опубликованной 29 июля 2014 в журнале Nature Communications,  было предложено использовать слабые измерения для изучения «Чеширского кота» на примере нейтронов. В эксперименте с использованием нейтронного интерферометра производилось разделение пучка нейтронов на два пучка, идущих разными путями, и выполнялись слабые измерения местоположения частиц и их магнитного момента (спина). Экспериментальные результаты показывают, что система ведет себя так, как если бы нейтроны проходят по одному пути, в то время как их магнитный момент путешествует по другому пути. Таким образом, коты-нейтроны находятся в другом месте, чем их улыбки-спины.

Идею слабого измерения предложил в 1988 году израильский физик Якир Ааронов с коллегами. Ее суть в том, что слабое измерение не сильно изменяет наблюдаемую систему. Здесь надо вспомнить, что в квантовой механике любое измерение изменяет состояние наблюдаемого объекта. Но за все нужно платить, слабые измерения показывают поведение большого числа частиц в одинаковом состоянии и не могут давать информацию об отдельной частице. Зато они применимы там, где пасуют обычные измерения. Слабые измерения особенно работоспособны в случае, когда рассматривается эволюция систем с заданными начальным (предопределенным) и конечным (после-определенным) состояниями, который реализован в рассматриваемом эксперименте.

Идея квантового Чеширского кота была впервые разработана именно Якиром Аароновым, который в 2013 году предложил способ использования слабых измерений для его обнаружения, и Джеффом Толлаксеном из Университета Чепмена (США), одним из авторов работы. Данный эксперимент, впервые доказавший существование этого явления, был проведен на источнике нейтронов в институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле с участием специалистов из Венского технологического университета, разработавших уникальную измерительную установку.

В эксперименте на нейтринном интерферометре (см. рисунок «Схема экспериментальной установки») пучок нейтронов, имеющий направления спинов вверх и вниз, проходит через идеальный кристалл кремния (Р) и разделяется на две части. Далее оставляется поляризованный пучок, в котором все нейтроны имеют одинаковое направление спина (вверх на рисунке). Спиновращатель ST1 поворачивает спин вдоль траектории движения. Затем в блоке SRs создаются два пучка с ориентацией спинов в разные стороны: Первый пучок нейтронов имеет спин вдоль траектории нейтронов, спин второго пучка направлен в противоположном направлении (предопределенные состояния). После прохождения разными путями оба пучка объединяют (PS), и наблюдают интерференцию пучков, отслеживаемых  H и O детекторами (Det)

В детекторе О (O-Det) регистрируют  только нейтроны, которые имеют спин вдоль направления движения (после-определенное состояние). Все остальные просто игнорируются. Совершенно очевидно, что эти нейтроны должны были путешествовать по первому пути, поскольку только там, нейтроны имеют такое спиновое состояние. Это доказывается в эксперименте поочередной установкой на каждый путь фильтра (ABS), поглощающего небольшую часть нейтронов. Если второй пучок пропускается через фильтр, то регистрируемое число нейтронов остается неизменной. Если первый луч направляется через фильтр, число этих нейтронов уменьшается (на рис. показан фильтр на первом пути).

 «Странности» начинаются при попытке определить, где находится нейтронный спин. Для этого направление спинов слегка изменяется с помощью магнитного поля. Когда два пучка сводятся надлежащим образом, они интерферируют и могут усиливать или подавлять друг друга. Небольшое изменение спинов должно приводить к изменению интерференционной картины. Оказалось, что магнитное поле, приложенное к первому пучку, не производит никакого эффекта! Зато, если его приложить ко второму пучку, который не содержит регистрируемых нейтронов, нужный эффект появляется.

Таким образом, на первом пути, сами частицы взаимодействуют с измерительным прибором, но только другой путь чувствителен к взаимодействию с магнитным полем. Система ведет себя так, как если бы частицы были пространственно отделены от их магнитных свойств.

Этот невероятный эффект имеет, тем не менее, и практическую ценность для повышения точности измерений на квантовых масштабах, которые очень часто основаны на принципе квантовой интерференции. Дело в том, что электромагнитные шумы, влияя на спины частиц, вносят искажения в измерения. Отделение спина от частицы позволит свести такие искажения к минимуму. Например это поможет проводить гравитационные измерения на микроуровне.