У казці Льюїса Керролла посмішка Чеширського кота існувала окремо від самого кота. Виявилося, що і магнітне поле нейтрона може подорожувати окремо від самого нейтрона.

З самого початку свого існування квантова теорія подарувала світові цілий букет нез'ясовних і вражають уяву явищ, таких як корпускулярно-хвильовий дуалізм, кіт Шредінгера і квантова нелокальність. Тепер фізики довели існування ще одного парадоксального явища квантової механіки, яке вони назвали: "квантовим Чеширським котом". Суть його полягає в тому, що квантова система в певних умовах може вести себе так, як ніби частинки і їх властивості просторово розділені. Іншими словами, в квантовому світі можливо неможливе - об'єкт може бути відділений від своїх властивостей. Назва явища навіяно знаменитої книгою Льюїса Керролла «Пригоди Аліси в країні чудес», де Аліса зустрічає Чеширського кота, який зникає, залишаючи після себе одну тільки посмішку.

У роботі міжнародної команди фізиків, опублікованій 29 липня 2014 в журналі Nature Communications , Було запропоновано використовувати слабкі вимірювання для вивчення «Чеширського кота» на прикладі нейтронів. В експерименті з використанням нейтронного інтерферометра вироблялося поділ пучка нейтронів на два пучка, що йдуть різними шляхами, і виконувалися слабкі визначення місцезнаходження частинок і їх магнітного моменту (спина). Експериментальні результати показують, що система поводиться так, як якщо б нейтрони проходять по одному шляху, в той час як їх магнітний момент подорожує по іншому шляху. Таким чином, коти-нейтрони знаходяться в іншому місці, ніж їх посмішки-спини.

Ідею слабкого вимірювання запропонував в 1988 році ізраїльський фізик Якір Ааронов з колегами. Її суть в тому, що слабке вимір не сильно змінює спостережувану систему. Тут треба згадати, що в квантовій механіці будь-яке вимірювання змінює стан об'єкта, що спостерігається. Але за все потрібно платити, слабкі вимірювання показують поведінку великого числа частинок в однаковому стані і не можуть давати інформацію про окремої частинки. Зате вони можуть бути застосовані там, де пасують звичайні вимірювання. Слабкі вимірювання особливо працездатні в разі, коли розглядається еволюція систем з заданими початковим (визначеним) і кінцевим (після-визначеними) станами, який реалізований в даному експерименті.

Ідея квантового Чеширського кота була вперше розроблена саме Якіром синів, який в 2013 році запропонував спосіб використання слабких вимірювань для його виявлення, і Джеффом Толлаксеном з Університету Чепмена (США), одним з авторів роботи. Даний експеримент, вперше довів існування цього явища, був проведений на джерелі нейтронів в інституті Лауе-Ланжевена в Греноблі за участю фахівців з Віденського технологічного університету, які розробили унікальну вимірювальну установку.

В експерименті на нейтринном інтерферометрі (див. Рисунок «Схема експериментальної установки») пучок нейтронів, що має напрямки спінів вгору і вниз, проходить через ідеальний кристал кремнію (Р) і розділяється на дві частини. Далі залишається поляризований пучок, в якому все нейтрони мають однаковий напрямок спина (вгору на малюнку). Спіновращатель ST1 повертає спин уздовж траєкторії руху. Потім в блоці SRs створюються два пучка з орієнтацією спінів в різні боки: Перший пучок нейтронів має спін уздовж траєкторії нейтронів, спін другого пучка спрямований в протилежному напрямку (зумовлені стану). Після проходження різними шляхами обидва пучка об'єднують (PS), і спостерігають інтерференцію пучків, що відслідковуються H і O детекторами (Det)

У детекторі О (O-Det) реєструють тільки нейтрони, які мають спін вздовж напрямку руху (після-певний стан). Всі інші просто ігноруються. Цілком очевидно, що ці нейтрони повинні були подорожувати по першому шляху, оскільки тільки там, нейтрони мають таке спіновий стан. Це доводиться в експерименті почергової установкою на кожен шлях фільтра (ABS), що поглинає невелику частину нейтронів. Якщо другий пучок пропускається через фільтр, то реєстроване число нейтронів залишається незмінною. Якщо перший промінь прямує через фільтр, число цих нейтронів зменшується (на рис. Показаний фільтр на першому шляху).

«Дивацтва» починаються при спробі визначити, де знаходиться нейтронний спин. Для цього напрямок спінів злегка змінюється за допомогою магнітного поля. Коли два пучка зводяться належним чином, вони інтерферують і можуть посилювати або пригнічувати один одного. Невелика зміна спинив повинно призводити до зміни інтерференційної картини. Виявилося, що магнітне поле, прикладена до першого пучку, не виробляє ніякого ефекту! Зате, якщо його прикласти до другого пучку, який не містить реєстрованих нейтронів, потрібний ефект з'являється.

Таким чином, на першому шляху, самі частинки взаємодіють з вимірювальним приладом, але тільки інший шлях чутливий до взаємодії з магнітним полем. Система поводиться так, як якщо б частинки були просторово відокремлені від їх магнітних властивостей.

Цей неймовірний ефект має, проте, і практичну цінність для підвищення точності вимірювань на квантових масштабах, які дуже часто засновані на принципі квантової інтерференції. Справа в тому, що електромагнітні шуми, впливаючи на спини часток, вносять спотворення в виміри. Відділення спина від частки дозволить звести такі спотворення до мінімуму. Наприклад це допоможе проводити гравітаційні вимірювання на мікрорівні.

Схема експериментальної установки. Нейтронний пучок показаний зеленою лінією. Спини нейтронів - чорні стрілки. Магнітні поля - червоні стрілки. (А) - спін-аналізатор. Інші позначення і опис роботи наведені в тексті.

Художня ілюстрація експерименту. Усередині інтерферометра коти-нейтрони проходять верхнім шляхом, в той час як їх посмішки-спини подорожують нижнім.

Один з учасників експерименту за роботою на нейтронном інтерферометрі.

Ключова деталь установки: кристал, який розділяє нейтронний пучок на дві частини, а потім об'єднує їх.

<

>