由1万颗原子组成的金属微粒被同时保持在两个位置上

物理学家把由多达1万颗原子组成的金属颗粒置于一种状态,在其中它同时占据两个略微分开的位置。这个团簇几乎肉眼不可见——直径约八纳米——但它远远大于、也远远重于此前任何被保持在已验证量子叠加态中的物体。教科书上的奇异性通常只属于单个原子和小分子,如今首次被展示在一块真实的固体金属上。

量子叠加是指一个粒子在与环境保持隔离的前提下,表现得就像同时位于不止一个地方。流行的形象是薛定谔的猫,但实验室版本更克制也更说话:让粒子穿过一组精确布置的障碍,看它最终落在哪里。如果它与自身发生干涉,沿途就处在两个位置上;否则,它的表现就像一个经典物体。

所用的钠团簇质量超过17万个原子质量单位,将该颗粒推到此前在此类状态中最重物体之上约一个量级。叠加的展宽比颗粒本身宽出数十倍,物理学家用”宏观性”这一量化指标来刻画,这次的新结果达到 μ = 15.5。

实验由维也纳大学和杜伊斯堡-埃森大学的研究组合作完成,博士生塞巴斯蒂安·佩达利诺为第一作者,马库斯·阿恩特、斯特凡·格利希和克劳斯·霍恩伯格为主要研究者。这套方法叫做近场物质波干涉。三块由紫外激光形成的衍射光栅充当障碍。团簇依次穿过它们,在探测器上的堆积方式告诉团队每个团簇是以波的方式——同时处在两个位置——通过装置,还是以普通粒子的方式通过。

该实验的目标并不是催生一项新技术。目标是不断把量子力学已被检验的边界,以及它可能出错的边界,继续向外推。理论的所有预测迄今都站得住脚,但理论并没有说明,日常生活中的经典物体为何从不看起来同时身处两地。把这一区域延伸到更重、更复杂的物体,会让这个问题变得更尖锐。如果在某个质量尺度上干涉出现失效,那将是新物理的直接证据。

该结果是有约束的。干涉信号只出现在深度超低温下,而且只在大约百分之一秒的自由飞行中存在,之后残余气体、辐射和热运动便会破坏相干性。团簇的尺度按日常标准仍然是微观的。实验还依赖于关于激光光栅与团簇源的若干假设,团队必须在面对替代解释时为之辩护——这是同行评议所审查的一部分。

相比大约二十年前,当干涉第一次在被称为巴克球的60原子碳分子上被展示出来时,如今的结果是醒目的。质量的跨越大约比那些早期演示高出两个量级,宏观性也相应地更高。每靠近一些病毒或活细胞那样大小和复杂度的物体,就意味着更靠近一个直觉不再是可靠向导的临界点。

这项工作于2026年5月发表在《自然》杂志上。维也纳与杜伊斯堡-埃森的团队表示,下一阶段将瞄准更大的颗粒和不同的材料组成——这是这一实验线上自然的下一级台阶——并将研究物质波技术能否作为在纳米尺度上测量力和物性的精密传感器。