Измерения охлаждают объект: проверка квантового эффекта

В микромире, среди бактерий и наночастиц, также действуют законы Ньютона, и их проявления гораздо более явственны, нежели принципы квантовой механики. Однако квантово-механические эффекты тоже можно увидеть, если располагать соответствующим измерительным оборудованием. Это и постарались сделать ученые из Университета Корнелла, США, во главе с Кейтом Швабом, профессором физики.

Теперь же ученые экспериментально показали, что квантовые эффекты присущи макроскопическим объектам. Более того - оказалось, что с помощью измерений можно понизить температуру объекта.

Помогло им новое измерительное устройство, которое они сами сконструировали. Оно представляет собой полоску из алюминия длиной 8.7 микрон и шириной 200 нанометров, расположенную на подложке из нитрида кремния и закрепленную на ней с обоих концов.

Получается, что при такой конструкции середина полосы будет находиться в подвешенном состоянии и может вибрировать, если на нее воздействовать извне.

Рядом с устройством Шваб поместил сверхчувствительный одноэлектронный сверхпроводящий транзистор, регистрирующий любое отклонение полоски на подложке от положения равновесия.

Исходя из принципа неопределенности Гейзенберга, чем точнее мы измеряем скорость частицы, тем неопределеннее становится ее положение, и наоборот – зная точное положение частицы мы не сможем говорить точно о ее скорости. Однако заметно влияние этого принципа только при спускании «вниз» по размерной шкале – от нанометров и ниже.

Шваб и его коллеги с помощью полоски-резонатора и сверхпроводящего транзистора попытались «поймать» эффект как можно ближе «сверху» по размерной шкале – на границе теоретического предела, где можно увидеть действие принципа неопределенности Гейзенберга.

«Измерение положения объекта и сам объект тесно связаны между собой, и мы установили, что при измерении положения полоски, она изменила положение в пространстве, - говорит Шваб. – Это произошло потому, что мы проводили измерения очень близко к границе, где действует принцип неопределенности. Законы квантовой механики гласят, что нельзя не изменить состояние объекта, за которым наблюдаешь. Именно это мы смогли показать опытным путем». Сам принцип неопределенности, естественно, действует постоянно, просто Шваб и его коллеги постарались увидеть его проявление в крупных объектах, а не на экспериментах с элементарными частицами.

Если в еще одном доказательстве принципа неопределенности сомнений у ученых не было, то еще одни эффект, который они открыли в течении экспериментов, оказался неожиданным.

При подаче определенного напряжения на транзистор ученые замечали снижение температуры полоски.

«Оказалось, что наблюдая за объектом, мы можем не только изменять его положение, но и его энергию. Мы можем охладить полоску с помощью измерений так, как это не сделал бы ни один холодильник», - говорит Шваб.

Механизм «высасывания энергии» из полоски аналогичен процессу, названному Доплеровским охлаждением, с помощью которого атомные физики охлаждают красным лазером атомный пар, получая конденсат.

Шваб и его коллеги теперь пытаются использовать это открытие для охлаждения чипов и электронных компонент, так как ни одна из современных систем охлаждения не сможет достичь аналогичных показателей.