Imaginujte si, že existuje částice velikosti viru, která pluje v prázdnotě, podpírána pouze laserovým paprskem. Z pohledu kvantové fyziky se však nevyskytuje na jednom místě, ale je „roztažena“ na několika místech současně. To je v podstatě úspěch týmu fyziků z ETH Curych a Institutu fotonických věd (ICFO) v Barceloně, který byl zveřejněn v odborném časopise Physical Review Letters v roce 2025.
Jejich dosažení spočívá ve kontrolovaném prodloužení tzv. koherentní délky levitované nanopartice, tj. vzdálenosti, v níž si udržuje své vlnové chování jasně a měřitelně. V praxi se jim podařilo prodloužit tuto „vlnu pravděpodobnosti“, která popisuje částici, více než trojnásobně oproti obvyklé délce, aniž by ztratili její kvantový charakter. To je klíčový krok k přiblížení těchto jevů k čím dál větším objektům.
Levitační experiment se silikagelem
Experiment se provádí ve vysoce vakuové komoře v ultra stabilním laboratoři. Vědci tam zachycují nanospheru silikagélu pomocí optických pinzet, což je typ zaměřeného laseru, který funguje jako „polštář“ světla a udržuje částici suspendovanou a téměř izolovanou od okolí.
Nejprve se pohyb části zmrazí na energetickou hladinu velmi blízkou minimální hodnotě povolené kvantovou mechanikou, známé jako základní stav. V tomto okamžiku se částice už nechová jako klasická kulička vibrující okolo, ale jako úzký vlnový balíček. Tým sám uznává, že “kvantová delokalizace objektů většího rozměru je výjimečná výzva”, protože i v téměř ideálních podmínkách je koherence obvykle omezena na subatomární měřítka.
Jak se „protahuje“ vlnová funkce
Od tohoto momentu nastává jemná část experimentu. Fyzici postupují podle protokolu ve třech krocích: chlazení, expanze a měření. Klíčem je, jak modifikují světelnou past. Po dobu několika mikrosekund prudce snižují intenzitu laseru, čímž je částice méně omezena a její poloha se stává méně jistou, jak předpovídá kvantová mechanika.
V původním článku se uvádí, že při rychlé změně “síla zotavení klesá, a proto se nanosphera delokalizuje v prostoru.” Tento krátký interval umožňuje, aby se vlnová funkce rozšířila, než se opět posílí past a „nashromáždí“ částici zpět, už v rozšířenějším stavu.
Při pečlivém opakování tohoto procesu se podařilo ztrojnásobit počáteční koherentní délku. Tým informuje o délkách přesahujících 70 pikometrů za optimálních podmínek, zatímco před expanzí byla délka přibližně 20 pikometrů. Ačkoli to nejsou velké vzdálenosti ve každodenním vyjádření, představují významný překročení důležité kvantové hranice, protože překonávají limit stanovený takzvaným nulovým pohybem.
Další krok k „makroskopickému“ kvantu
Ve skutečnosti dokázali, že lze kontrolovaně manipulovat a zesilovat vlnovou část objektu, který už není pouze atomem nebo molekulou. Podle vědeckého shrnutí je tato práce “krokem k vytváření delokalizačních škál srovnatelných s velikostí objektu” a směrem k “vylepšené detekci sil pomocí kvantových technik s levitovanými částicemi.”
Pokud se v budoucnu podaří, aby se vlnová funkce nanopartice rozšířila stejně jako samotná koule, bude možné provádět experimenty s interferencí podobné těm, které se týkají dvojího štěrbiny, ale s objekty složenými z miliard atomů. To je oblast, kde se skutečně prověří hranice mezi kvantovým světem a světem, který vidíme pouhým okem.
Kromě toho je tato technika, alespoň na papíře, škálovatelná. Tým upozorňuje na to, že pokud se aplikují různé impulsy expanze při udržování nízké dekoherence, může se delokalizace exponenciálně zvýšit. Hlavním „nepřítelem“ v tuto chvíli jsou samotné fotony laseru, které dispersují nanopartici, což je zdroj šumu, který skupina chce snížit kombinací optické pasti a elektrických pastí s velmi nízkou dekoherencí.
A co to má společného s naším každodenním životem?
V krátkodobém horizontu patří tyto experimenty do oblasti základní fyziky. Nezmění vaši fakturu za elektřinu zítra ani nevyřeší klimatickou krizi. Přesto však budují základ nové generace kvantových senzorů, schopných měřit extrémně slabé síly a zrychlení díky kombinaci levitace v prázdnotě a kvantovému ovládání pohybu.
Tato zařízení již zkouší aplikace od pátrání po temné hmotě až po velmi přesné akcelerometry. Další práce s levitovanými částicemi, například na King’s College v Londýně, také míří na zlepšení monitorování životního prostředí a detekci škodlivých plynů prostřednictvím zařízení s velmi nízkou spotřebou a vysokou citlivostí, což otevírá cestu pro použití ve sledování kvality vzduchu nebo v efektivní spotřební elektronice.
V tomto kontextu kontrola toho, jak se „protahuje“ a udržuje koherentní vlnová funkce nanopartice, není jen laboratorním trikem. Je to další část technologického kvantového ekosystému, který do značné míry závisí na tom, do jaké míry budeme schopni ovládnout tyto hybridní systémy mezi viditelným a neviditelným.
Originální studie, nazvaná „Kvantová delokalizace levitované nanopartice“, byla zveřejněna v časopise Physical Review Letters a lze ji konzultovat na webu Americké fyzikální společnosti prostřednictvím tohoto oficiálního odkazu na vědecký článek Physical Review Letters.
