Исследователи из Рейнско-Пфальцского технического университета (RPTU) в Германии впервые экспериментально наблюдали необычное квантовое состояние: два атома остаются связанными в молекулу, хотя энергии для того, чтобы разлететься, у них достаточно. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

"Удивительно, что молекулярное состояние могло бы распасться с энергетической точки зрения, но квантовая интерференция подавляет этот распад, - поясняет руководитель группы индивидуальных квантовых систем профессор Артур Видера. - Волновая природа материи позволяет состоянию оставаться связанным, хотя мы обычно ожидали бы его распада".

Интерференция - это явление, при котором волны, накладываясь друг на друга, могут усиливать или гасить друг друга. Атомы и другие частицы ведут себя не только как крошечные шарики, но и как волны. Именно взаимное гашение волн, как показала новая работа, не даёт двум атомам разойтись.

Обычно, чтобы разорвать молекулу, нужно затратить энергию. Ниже определённого порога атомы остаются вместе, выше - могут разлететься. Однако в квантовом мире правила не всегда так просты. Исследователи получили так называемое связанное состояние в континууме - состояние, энергия которого в принципе достаточна для разделения атомов, но они всё равно остаются связанными.

Теоретики предсказали возможность такого состояния ещё в 1985 году, а похожие эффекты позже наблюдали в оптических и акустических системах. Новая работа впервые показывает, что механизм можно сознательно реализовать при столкновениях ультрахолодных атомов.

Принцип действия напоминает активные шумоподавляющие наушники: те создают звуковые волны, которые гасят нежелательный шум. В эксперименте RPTU нечто подобное происходит на уровне отдельных атомов. Молекула могла бы распадаться разными путями, и каждому пути соответствует своя квантовая волна. При правильном наложении эти волны гасят друг друга, и распад блокируется - как две равные силы, тянущие в противоположные стороны.

Прорыв стал возможен благодаря методу, который команда представила ранее, в 2025 году в журнале Science Advances: быстро осциллирующие магнитные поля позволяют точно управлять взаимодействием атомов в ультрахолодном газе. В новой работе атомы лития охладили до температуры менее одной миллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Затем с помощью тщательно настроенных магнитных полей исследователи сблизили два молекулярных резонанса - состояния, в которых атомы взаимодействуют особенно сильно, - и создали условия для подавления распада.

Чтобы подтвердить существование состояния, учёные, среди прочего, следили за тем, сколько атомов теряется из газа. Без защитного эффекта интерференции потерь было бы значительно больше. Кроме того, они наблюдали за динамикой атомного облака и напрямую исследовали молекулярные состояния методом радиочастотной спектроскопии. Вместе эти измерения дали характерную экспериментальную подпись необычного квантового состояния.

"Наша предыдущая работа дала нам инструмент, позволяющий управлять взаимодействием атомов, - говорит первый автор Александр Гутман. - Здесь мы использовали это управление, чтобы заставить два возможных пути распада молекулы погасить друг друга. Это яркий пример того, как квантовая физика превращает ожидаемый механизм потерь в защитный".

Работа не только подтверждает теоретическое предсказание сорокалетней давности, но и открывает новый способ управлять взаимодействием квантовых систем с окружением. Это может пригодиться для будущих квантовых технологий - от сверхчувствительных сенсоров для медицины и навигации до защищённой квантовой связи и квантовых компьютеров. Впрочем, речь пока идёт о фундаментальном эксперименте, а не о готовых устройствах.

Источник: Phys.org