De massiva partiklarnas kvantfysik har fascinerat fysiker i mer än 80 år, eftersom den förutspår att även komplexa partiklar kan uppvisa vågliknande beteende – i konflikt med våra vardagliga föreställningar om vad som är verkligt eller lokalt. Ett internationellt team av forskare lyckades nu spela in en film som visar uppbyggnaden av ett materia-vågstörningsmönster från enfärgade molekyler som är så stora (upp till 0,1 mm) att du enkelt kan se den med en kamera.

Detta visualiserar dualiteten av partikel och våg, slumpmässighet och determinism, lokalisering och delokalisering på ett särskilt intuitivt sätt. Att se är att tro:filmen av Thomas Juffmann et al. kommer att publiceras den 25 mars i Naturnanoteknik .

En kvantpremiär med färgämnen som ledande aktörer

Fysikern Richard Feynman hävdade en gång att interferenseffekter orsakade av materiavågor innehåller kvantfysikens enda mysterium. Att förstå och tillämpa materievågor för ny teknik är också kärnan i forskningen som bedrivs av kvantnanofysikteamet kring Markus Arndt vid universitetet i Wien och Wiens centrum för kvantvetenskap och teknologi.

Forskarna hade nu premiär för en film som visar uppbyggnaden av ett kvantinterferensmönster från stokastiskt ankommande enstaka ftalocyaninpartiklar efter att dessa mycket fluorescerande färgmolekyler korsade en ultratunn nanograting. Så snart molekylerna kommer på skärmen tar forskarna levande bilder med hjälp av ett rumsligt upplösande fluorescensmikroskop vars känslighet är så hög att varje molekyl kan avbildas och lokaliseras individuellt med en noggrannhet på cirka 10 nanometer. Detta är mindre än en tusendel av diametern på ett människohår och fortfarande mindre än 1/60 av bildljusets våglängd.

En fläkt av ingenting

I dessa experiment utgör van der Waals krafter mellan molekylerna och gallren en särskild utmaning. Dessa krafter uppstår på grund av kvantfluktuationer och påverkar starkt det observerade interferensmönstret. För att minska van der Waals-interaktionen använde forskarna galler så tunna som 10 nanometer (endast cirka 50 lager av kiselnitrid). Dessa ultratunna galler tillverkades av nanoteknologiteamet runt Ori Cheshnovski vid Tel Aviv University som använde en fokuserad jonstråle för att skära de nödvändiga slitsarna till ett fristående membran.

Skräddarsydda nanopartiklar

Redan i denna studie kunde experimenten utökas till tyngre derivat av ftalocyanin som var skräddarsydda av Marcel Mayor och hans grupp vid universitetet i Basel. De representerar de mest massiva molekylerna i kvantfjärrfältsdiffraktion hittills.

Motivation och fortsättning

De nyutvecklade och kombinerade mikro- och nanoteknikerna för att generera, diffraktion och detektering av molekylstrålar kommer att vara viktigt för att utvidga kvantinterferensexperiment till fler och mer komplexa molekyler men också för atominterferometri.

Experimenten har en starkt didaktisk komponent:de avslöjar enpartikelkaraktären hos komplexa kvantdiffraktionsmönster på en makroskopisk skala som är synlig för ögat. Du kan se dem dyka upp i realtid och de varar i timmar på skärmen. Experimenten gör således kvantfysikens våg-partikeldualitet särskilt påtaglig och iögonfallande.

Experimenten har en praktisk sida, för. De ger tillgång till molekylära egenskaper nära fasta gränssnitt och de visar en väg mot framtida diffraktionsstudier vid atomtunna membran.