Состояние атомов превратили в звук — послушайте

Возможность моделировать квантовый мир — задача не из легких. Физические особенности квантовой механики далеки от нашего привычного восприятия реальности, и существуют системы, чья сложность превосходит даже математические описания. Особенно сложно описывать квантовые свойства твердых тел. Однако исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) нашли новый способ их симуляции с помощью звуковых волн и метаматериалов.

В квантовой механике «кот одновременно жив и мертв внутри коробки», пока система не будет нарушена путем его измерения, то есть «открытия коробки». С чисто квантовой точки зрения, кот находится в двух состояниях, пока ящик не будет открыт, чтобы проверить, живо животное или мертво. В этом суть мысленного эксперимента, придуманного в 1935 году Эрвином Шредингером. И это иллюстрирует сложность квантовых концепций.

Чувствительная природа квантовой физики существенно затрудняет наблюдение: сам акт измерения системы присваивает ей состояние. Тем не менее, физики знают, как косвенно исследовать электронные состояния, чтобы сделать выводы об их свойствах.

В макроскопическом мире есть явление, где «кот Шредингера» имеет смысл, явление, с которым мы можем взаимодействовать: звук. Мы можем слышать основную частоту звука одновременно с обертонами, более высокими частотами, называемыми гармониками. Если использовать язык квантовой физики, то это означает суперпозицию состояний.

«Квантовые проявления по сути своей являются волнами — почему бы не смоделировать их с помощью звука? Исследование электронных состояний материи напрямую и без ее нарушения — это все равно, что попросить слепого пройти по оживленной улице без трости. Но в акустике мы можем исследовать волны напрямую, по фазе и амплитуде, не влияя на их состояние», — спрашивает Матьё Падлевски, первый автор исследования.

Акустический метаматериал, созданный в EPFL, состоит из массива «акустических атомов» — 16 небольших кубов, соединенных друг с другом, с отверстиями, позволяющими разместить несколько динамиков и микрофонов. Первые генерируют звуковые волны, которые распространяются контролируемым образом вдоль ряда, а вторые измеряют звуковые волны.

Ученым удалось воспроизвести явления, которые раньше были доступны лишь в теории. Звуковые волны, направляемые через специально разработанные метаматериалы, позволяют моделировать квантовые эффекты, изучение которых открывает новый путь в понимании основ квантовой физики.

Метаматериалы — это искусственно созданные структуры, обладающие уникальными свойствами, которые не встречаются в природе. Они могут взаимодействовать с волнами, включая световые и звуковые, неожиданным образом. Это дает возможность исследователям управлять и моделировать поведение таких волн, чтобы изучать сложные квантовые системы.

Такие подходы могут значительно облегчить процесс изучения квантовой физики твердых тел и привести к новым открытиям в области материаловедения, разработке передовых технологий и даже в сельском хозяйстве. Кроме того, они открывают возможность создавать модели, помогающие в разработке устройств на основе квантовых технологий.