Квантовые волны в макромире: провод длиной с волос экспресс
Тонкая серебряная струна длиной почти с толщину волоса — и в ней живут чистые квантовые законы. Физики построили проводник, где электроны могут бежать только вперёд или назад, как по идеально прямой одноколейной дороге без обочин. На такой дороге любая ямка или камешек обычно сразу разрушают хрупкое квантовое состояние. Но здесь дорога оказалась на удивление гладкой.
Исследователи охладили систему почти до абсолютного нуля и измерили, как ток туннелирует (просачивается сквозь барьер) между двумя параллельными проводами. В магнитном поле возникла сложная интерференционная картина — электронные волны накладывались друг на друга, усиливаясь и ослабляясь. Компьютерное моделирование без подгоночных параметров идеально совпало с экспериментом. Значит, проводник длиной до 18 микрометров ведёт себя как безупречная квантовая система.
Но самое поразительное скрывалось при низком напряжении. Удалось не просто заметить кулоновскую блокаду (энергию, нужную, чтобы добавить лишний электрон), а чётко различить отдельные орбитальные и спиновые состояния. Сто электронов заполняли провод строго по очереди: спин вверх, спин вниз, снова вверх — без малейших сбоев. Высокие спиновые состояния не возникали вовсе.
Такой порядок в системе из сотни частиц и длиной почти в волос — настоящий мост между мирами. Квантовая механика одного электрона вдруг оказывается применима к объекту, который можно разглядеть в хороший микроскоп. Это не просто красивый опыт. Это подсказка, где искать границу, за которой квантовая странность уступает место привычной реальности.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2608.02431v1
Increasing the size of a system showing quantum effects is a difficult task limited by decoherence, a diminishing quantum level spacing, and the effects of disorder spoiling the quantum behavior when growing in size. Systems in 1D offer very strong confinement in the transverse directions, thus generally enhancing quantum effects, but are notoriously sensitive to disorder. In this work, we present a system of 1D electrons exhibiting discrete quantum levels and fully ballistic coherent quantum interference with lengths of up to 18\,$$\mu$$m. Tunneling spectroscopy between two parallel quantum wires with a central gated segment shows intricate interference patterns exhibiting several different periods in magnetic field and density. An analysis over three different wire lengths and a comparison with single particle numerical simulations without any free parameters remarkably explains the full pattern including the observed periods. Therefore, these wires are essentially ideal 1D systems with aspect ratios approaching 1'000. In addition, at low bias, we also observe not only the Coulomb charging energies but can clearly resolve the discrete orbital and spin states in up to 10\,$$\mu$$m long wires when filling 100 electrons with the center gate. This is made visible by a state-of-the-art low temperature and low noise measurement system. The spin filling sequence is completely regular, strictly alternating spin up and down, avoiding high spin states, while the peak conductance is modulated in accordance with the previously discussed interference patterns. These striking results show that single particle Schr\"odinger quantum mechanics such as ballistic quantum interference and discrete quantum states may be observed, under the right conditions, in systems of up to 18\,$$\mu$$m length, thus approaching macroscopic sizes.
18 микрометров — это примерно пятая часть толщины человеческого волоса. Для квантового мира, где обычно оперируют нанометрами, такая длина сравнима с путешествием через целый город.
В романе «Город перестановок» Грега Игана виртуальные копии людей существуют благодаря безупречным квантовым вычислениям, которые требуют сохранения интерференции на больших расстояниях — почти как в этих проводах.