Kvantfysiken säger oss att även massiva partiklar kan bete sig som vågor, som om de kunde vara på flera ställen samtidigt. Detta fenomen är typiskt bevisat i diffraktionen av en materiavåg vid ett gitter. I ett europeiskt samarbete, forskare förde denna idé till det yttersta och observerade delokaliseringen av molekyler vid det tunnaste möjliga gallret, en mask mald i ett enda lager av atomer. De presenterade experimenten utforskar de tekniska gränserna för materiavågsteknologier och svarar på ett berömt Gedanken-experiment av Einstein och Bohr för nästan 80 år sedan. Resultaten publiceras i tidskriften Naturens nanoteknik .

Materiens kvantmekaniska vågnatur är grunden för ett antal moderna teknologier som högupplöst elektronmikroskopi, neutronbaserade studier på material i fast tillstånd eller mycket känsliga tröghetssensorer som arbetar med atomer. Forskningen i gruppen kring prof. Markus Arndt vid universitetet i Wien är fokuserad på hur man kan utvidga sådana teknologier till stora molekyler och kluster.

För att demonstrera den kvantmekaniska naturen hos ett massivt föremål måste det först delokaliseras. Detta uppnås i kraft av Heisenbergs osäkerhetsrelation:Om molekyler emitteras från en punktliknande källa, de börjar "glömma" sin position efter ett tag och delokaliseras. Om du placerar ett galler i vägen, de kan inte veta, inte ens i princip, genom vilken slits de flyger. Det är som om de korsade flera slitsar samtidigt. Detta resulterar i en karakteristisk fördelning av partiklar bakom gallret, känt som diffraktions- eller interferensmönstret. Det kan bara förstås om vi tar hänsyn till partiklarnas kvantmekaniska vågnatur.

Vid den tekniska gränsen

I ett europeiskt samarbete (NANOQUESTFIT) tillsammans med partners kring professor Ori Cheshnovsky vid Tel Aviv University (där alla nanomasker skrevs), såväl som med stöd av grupper i Jena (tillväxt av bifenylmembran, Prof. Turchanin), och Wien (högupplöst elektronmikroskopi, Prof. Meyer) visade de nu för första gången att sådana galler kan tillverkas även av de tunnaste tänkbara membran. De malde transmissionsmasker till ultratunna membran av kiselnitrid, bifenylmolekyler eller kol med en fokuserad jonstråle och analyserade dem med ultrahögupplöst elektronmikroskopi. Teamet lyckades tillverka stabila och tillräckligt stora galler även i atomärt tunt enskiktsgrafen.

I tidigare kvantexperiment i samma EU-samarbete, tjockleken på diffraktionsmasker var redan så tunn som en hundradel av ett hårstrås diameter. Dock, även sådana strukturer var fortfarande för tjocka för diffraktion av molekyler som består av dussintals atomer. Samma kraft som tillåter geckos att klättra på väggar begränsar tillämpbarheten av materialgitter i kvantdiffraktionsexperiment:Molekyler attraheras till gallerstängerna som geckoornas tår mot väggen. Dock, när de väl fastnar på ytan är de förlorade för experimentet. En stor utmaning var att reducera materialtjockleken och därmed de attraktiva växelverkan mellan dessa masker till den yttersta gränsen samtidigt som de bibehåller en mekaniskt stabil struktur.

"Detta är de tunnaste möjliga diffraktionsmaskerna för materiavågsoptik. Och de gör sitt jobb väldigt bra", säger Christian Brand, huvudförfattaren till denna publikation. "Med tanke på gallrets tjocklek på en miljondels millimeter, interaktionstiden mellan masken och molekylen är ungefär en biljon gånger kortare än en sekund. Vi ser att detta är kompatibelt med kvantinterferens med hög kontrast".

Ett tankeexperiment av Bohr och Einstein

Stängerna på nanogratings-utseendet liknar strängarna på en miniatyrharpa. Man kan därför undra om molekylerna inducerar vibrationer i dessa strängar när de böjs åt vänster eller höger under kvantdiffraktion. Om så var fallet kan gitterstängerna avslöja molekylvägen genom gittret och kvantinterferensen skulle förstöras. Experimentet förverkligar alltså ett tankeexperiment som diskuterades av Nils Bohr och Albert Einstein redan för decennier sedan:De frågade om det är möjligt att veta den väg ett kvant tar genom en dubbel slits samtidigt som man observerar dess vågnatur. Lösningen på denna gåta tillhandahålls återigen av Heisenbergs osäkerhetsprincip:Även om molekylerna ger gittret en liten kick i diffraktionsprocessen förblir denna rekyl alltid mindre än den kvantmekaniska momentumosäkerheten för själva gittret. Den förblir därför oupptäckbar. Här visas att detta gäller även för membran som bara är en atom tjocka.