Двигаться сквозь стены, возможно, говорят физики, однако не всем

Если вы все-таки когда-нибудь пытались это сделать, вы уже знаете, что пройти сквозь стенку невозможно. Однако субатомные частицы могут это делать благодаря эффекту, который называется квантовое туннелирование. Теперь физики говорят, что этот процесс можно будет наблюдать и на созданных человеком объектов, хотя и вызывает много сомнений со стороны других ученых.

Если эксперимент окажется успешным, это будет означать большой скачок в разработке механических систем, которые ведут себя как квантово-механические объекты. В 2010 году ученые сделали первый шаг в этом направлении, введя крошечный объект в такие состояния движения, которые можно описать только с помощью законов квантовой механики. Туннелирования на фоне этого выглядело бы большим достижением.

Так как же выглядит квантовое туннелирование? Представьте, что электрон неподвижно находится в одном из двух низко - энергетических состояний или точках, можно представить себе как энергетические ямы, отделенные друг от друга небольшим бугорком, который представляет собой электрическое поле. Для перехода бугорка и попасть из одной нижней точки в другую, он должен закатиться на холм, имея достаточное количество энергии. Если энергии недостаточно, физики-классики говорят, что он никогда не достигнет вершины холма и не обойдет его.

Такие крошечные частицы, как электроны, все же могут пересечь его, даже имея недостаточное количество энергии, чтобы забраться на холм. Квантовая физика описывает такие частицы как волны вероятности, и поэтому оказывается, что существует вероятность, что один из них внезапно «туннелирует» прямо через холм и внезапно окажется уже на другой стороне в другой низко - энергетической точке, даже если электрон и не может занимать верхнюю точку между ними.

Это звучит невероятно, но ученые и инженеры широко демонстрируют эффект квантового туннелирования в сверхпроводниках, где электроны туннелируют через слои материала, которые не проводят ток. (И даже больше, некоторые типы магнитных жестких дисков используют в своей работе эффект туннелирования для считывания данных.) И сканирующий туннельный микроскоп, который получил Нобелевскую премию, использует электронное туннелирование в запрещенной зоне между крохотным зондом и исследуемой поверхностью. До сих пор никто не наблюдал такого эффекта (прохождение через определенное препятствие) на уровне макроскопического объекта.

Но Мика Силланпа вместе с коллегами из Университета Аалто в Финляндии говорят, что это возможно, просто использовав крошечный прибор, напоминающий батут. Так, исследователи планируют разработать некий батут миллиметрового масштаба из графена - суперпрочного и суперпластичного углерода толщиной всего в один атом.

Затем натянуть его над металлической пластиной как мембрану - небольшую, но гораздо большею, чем атомы и молекулы, которые обычно используются в квантовой физике. Когда экспериментаторы подадут электрическое напряжение, мембрана должна принять два стабильных положения: одно, в котором она немного изгибается посередине, а одно - когда она выгибается достаточно, чтобы коснуться расположенной под ней пластины.

Окончательный дизайн предвидит, что электрические и механические силы на мембране создают энергетический барьер между двумя положениями. Если исследователи уменьшат энергию мембраны путем ее охлаждения до температуры в тысячи раз меньшей абсолютного нуля, то единственным способом двигаться между двумя позициями как раз бы и стало явление квантового туннелирования. Тогда экспериментаторы могли бы наблюдать мембранные изменения в изменениях емкости системы - показатель, который показывает, сколько она может хранить электрических зарядов. Силланпа говорит, чтобы достичь низких температур необходимо несколько лет.

Квантовое туннелирование в механической системе - это тот священный Грааль, который сейчас ищут люди, говорит Физик Лоренс с Дармутского колледжа. Но эксперимент не простой. Физик Гил-Хо Ли говорит, что предложенный эксперимент станет важным шагом демонстрации квантового туннелирования. Но он беспокоится, что этого будет недостаточно, так как мембрана будет показывать одинаковые «переключение» с одного положения в другое, при этом поглощая небольшую избыточную энергию в виде теплоты. Он говорит, что соискатели квантового туннелирования в электрических системах знакомы с эффектом Джозефсона, который также встретился с подобными проблемами в 1980 году, пока эксперименты окончательно не подтвердили туннелирования.

Так почему же вы все - таки не можете проходить сквозь стены? Расчеты квантовой механики говорят нам, что вероятность этого настолько мала, что даже дождавшись конца света, ты можешь так и не найти «второго себя» на другом конце стены.

Автор: Натан Коллинз
Источник: Science