用纳米颗粒的波动现象探索量子世界

量子叠加原理是物理学的基本概念，也是众多量子技术的基础，但由于我们在日常生活的宏观尺度上观察不到其关键特征，它常被认为违反直觉。因此，探究随着物体尺寸和复杂度增加，量子特性如何保持或变化具有重要意义。物质波干涉术是研究这一问题的模型实验方法，其中单个大质量粒子的运动会变得离域，需要用比粒子本身大得多的波函数来描述。多年来，科学家已用一系列质量和复杂度不断增加的物体进行了探索，而更大尺度的研究仍在推进。

本研究搭建了一个实验平台，将物质波干涉扩展到大型金属团簇这一量子实验中全新的材料类别。实验具体展示了钠纳米颗粒的量子干涉现象，这些纳米颗粒每个可包含超过7000个原子，质量超过170,000 Da。它们以薛定谔猫态传播，宏观性μ=15.5，较之前的实验提升了一个量级。

背景方面，德布罗意曾假设需将周期性现象与任何孤立物质或能量相关联，预测这些新思想能解决量子带来的几乎所有问题。量子波函数已成为现代物理学的核心概念，并经受住了至今所有的检验。但量子物理是否是终极理论，还是需要扩展来解释其向经典现象的过渡，仍存争议。这一争议引发了科学界的广泛兴趣，一系列近期实验不断突破量子力学的极限，如单原子在半米尺度上的离域、复杂分子的物质波干涉、机械悬臂冷却到量子基态等。

本实验中，含7000多个原子的团簇质心位置在超过粒子直径一个量级以上的距离上离域。这种量子态类似于薛定谔的猫：一个宏观物体因处于经典上不同轨迹的叠加态而违背直觉。这种质量与离域的独特组合，特别适合检验通过非线性和随机项修改薛定谔方程以抑制宏观叠加的理论。这些宏观实在论模型假设波函数会自发或在引力作用下坍缩到局域态，导致干涉仪中的纳米颗粒失去量子相干性，干涉条纹消失。但本实验观察到了广泛离域的大质量粒子的干涉，表明标准量子力学在该尺度上成立，无需修改薛定谔方程。

实验采用多尺度团簇干涉装置（MUSCLE），结合低温金属团簇源和三个紫外衍射光栅的Talbot-Lau构型。钠团簇在77K的氦-氩混合物中制备，速度约160 m/s，德布罗意波长10-22 fm。通过扫描第三光栅获取干涉图样，测得可见度最高为V=0.10±0.01，并通过与经典模型对比，证实了量子模型的正确性。

讨论指出，本实验将薛定谔猫态的概念推向更宏观的尺度：一个纳米级金属块同时处于两个相距133 nm（超过粒子自身尺寸一个量级）的位置。观测到迄今最大质量物体的物质波干涉，未发现量子叠加原理因质量或尺寸本身而失效。该工作为金属纳米颗粒这一此前无法进行此类测试的材料类别建立了新平台，并表明对类似质量范围的复杂纳米生物物体进行量子干涉实验是可行的。其宏观性μ=15.5，远超以往所有量子实验，为探索量子-经典界面和未来应用（如高分辨率力测量）奠定了基础。