Декогеренция фуллеренов

Декогеренция, обусловленная взаимодействием квантовой системы с ее окружением, разрушает квантовые эффекты, превращая их в классические. Из-за этого взаимодействия происходит "перепутывание" состояний системы с таким большим количеством состояний окружающей среды, что когерентные эффекты "теряются" и становятся ненаблюдаемыми. Для изучения перехода от квантового предела к классическому особый интерес представляют большие молекулы, способные запасать во внутренних степенях свободы значительную энергию, которая затем может преобразовываться в тепловое излучение и тем самым стимулировать декогеренцию.

4_04_01.jpg (162517 bytes)

Рис.1 . Схема эксперимента

В работе [1] австрийские физики из университета Вены сообщают о результатах исследования волн "молекулярной материи", а именно - фуллеренов C70. При низких температурах пучок фуллеренов, рассеиваясь на дифракционной решетке, образует интерференционную картину. Контролируемый лазерный нагрев молекул C70 на пути к интерферометру приводит к росту их "внутренней температуры". При этом часть энергии колебаний молекулы расходуется на испускание фотонов. Таким образом, внутренняя динамика фуллерена C70 сказывается на состоянии его центра масс, которое "перепутывается" с окружением, и, соответственно, на интерференционной картине (этим молекулы, собственно, и отличаются от атомов, не имеющих колебательных степеней свободы).

В [1] было обнаружено, что увеличение мощности лазерного излучения приводит сначала к ослаблению интерференционного контраста, а затем и к его полному подавлению вследствие нагрева молекул и соответствующего увеличения вероятности испускания тепловых фотонов, которые уносят с собой "квантовую информацию" о движении фуллеренов. Расчеты, выполненные в рамках современной теории декогеренции, очень хорошо согласуются с экспериментальными данными.

wpe2.jpg (12694 bytes)

Рис.2. Интерферограммы фуллеренов C70 при различной мощности лазерного нагрева P = (0 - 10.5)Вт, то есть при различной "внутренней температуре" молекул

Таким образом, получено убедительное доказательство плавного перехода от квантового к классическому режиму в поведении достаточно сложного (70-атомного) материального объекта. Механизм этого перехода (механизм декогеренции) - испускание тепловых фотонов - является фундаментальным и присущ всему макроскопическому миру. Если отдельные атомы можно достаточно хорошо изолировать от окружения, так чтобы стало возможным наблюдать когерентные эффекты, то чем крупнее объект, тем интенсивнее его тепловое излучение и, следовательно, тем сильнее он подвержен декогеренции. Понятно, что между этими предельными случаями (одна частица и макроскопический объект) должна существовать некая переходная область. Именно в эту область и попадают фуллерены C70. При достаточно низких температурах T < 1000K они ведут себя как квантовые частицы, а при T > 3000K - как классические тела. Именно это и позволяет изучить переход к классическому режиму во всех деталях.

Рис.3. Контрастность интерференционных полос как функция мощности лазера и средней температуры молекулы. a) Средняя скорость молекул в пучке v = 190м/с (нагрев 16-ю лазерными импульсами); b) v = 110м/с (10 импульсов). Точки - эксперимент, сплошные линии - теория.

Итак, кривая, разделяющая квантовую и классическую области на "фазовой диаграмме", имеет в координатах температура-масса вид быстро убывающей экспоненты. Авторы [1] надеются, что при более низких температурах окажется возможным наблюдать интерференцию и гораздо более сложных, чем фуллерены, объектов, таких как белки. Но для "по-настоящему макроскопических" систем вездесущая тепловая декогеренция является, увы, непреодолимым барьером, препятствующим проявлению ими волновых свойств.

Л.Опенов

  1. Nature 2004, 427, 711