Пользы – как от кота Шредингера

Два пика вероятностей «живучести» кота и третий – их суперпозиции.

Выдающийся австрийский теоретик Эрвин Шредингер, удостоенный в 1933 году Нобелевской премии, был вынужден эмигрировать в Ирландию, где осел в дублинском Тринити-колледже. Там он написал брошюру «Что такое жизнь с точки зрения физики?» (1944). В ней был упомянут и генетик Николай Тимофеев-Ресовский, обсуждавший возможный размер гена (не более 1000 атомов). На книгу австрийца обратили внимание Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон, будущие первооткрыватели двойной спирали ДНК (Nature опубликовал их письмо с рисунком жены Крика через 20 лет после нобелевского триумфа Шредингера).

Вторая половина ХХ века ознаменовалась прогрессом науки, которого она не знала за предыдущие 2500 лет. В физике – приближение к практическому использованию достижений квантовой механики, а в биологии – манипулирование все большим числом геномов представителей всех царств органического мира.

Теоретик из Австрии Шредингер известен широкой публике не только «внедрением» в ее сознание идеи энтенглмента (entenglement, от tangle – «клубок»), или связи квантовых свойств, например частицы и волны, которую называют также суперпозицией или когерентностью. Указанная связь мгновенно рвется при столкновении с «жестоким» макромиром. Тем не менее очевидно, что со временем именно этот феномен станет основой квантовых компьютеров.

Но еще больше публика знает – или по крайней мере слышала – о знаменитом шредингеровском коте. Так называется один из самых известных мысленных экспериментов в физике. Этот гипотетический кот закрыт в коробке. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра. Следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние – «ядро распалось, кот мертв» или «ядро не распалось, кот жив». Непредсказуемость радиоактивного распада играет здесь решающую роль! Тем самым жизнь кота определялась сугубо статистически.

Опыт, конечно, не подразумевал физического воплощения, не выходил за рамки мысленного эксперимента.

Вековое развитие физики привело к тому, что сотрудники Института квантовой физики, что в мюнхенском пригороде Гарчинг, решили все же проверить идею на практике, поместив атом рубидия в вакуумную полость между двумя зеркалами на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Благодаря этому авторы статьи в журнале Nature Photonics получили оптический резонатор (колебательный контур), в котором с помощью лазерных импульсов получали два пика и их суперпозицию света с атомом. Немецкие физики пишут, что «детерминистское», или произвольное, воспроизведение шредингеровского дуализма можно будет использовать в квантовой коммуникации будущих информационных технологий.

Лазерная инъекция спинов кобальта в MoS2 (Mo – синие шарики, S – серые шарики).  Иллюстрации Physorg

Гораздо перспективнее в этом плане так называемая спинтроника, которая будет потреблять значительно меньше энергии, поскольку не требует перемещения электронов, а следовательно, не генерирует тепла и может значительно быстрее менять поляризацию электронных спинов (векторов вращения магнитных осей электронов).

Через два года после Уотсона и Крика Нобелевской премии была удостоена Дороти Кроуфут, которая сумела определить структуру кобаламина, в молекуле которого имеется атом кобальта, давшего название витамину В12. Магнитный металл легко принимает и отдает электрон, что и определило использование его в моноатомном дисульфиде молибдена (MoS2). Магнитно-полупроводниковую тонкопленочную систему создали сотрудники Технологического университета в южно-китайском г. Наньян и лаборатории в Лос-Аламосе (США). С помощью фемтосекундных (10–15 сек) импульсов лазера ученые получили диффузию спинов тяжелых атомов в полупроводник. В результате получены антенны, излучающие в терагерцовом диапазоне (между микроволнами и инфракрасным), то есть в 10 тыс. раз быстрее.

Пока трудно сказать, удастся ли авторам статьи в журнале Nature Physics воплотить свое уникальное достижение в устройства ультрабыстрой спинтроники.