Enkeltmolekyler i en kvantefilm

Kvantfysikken for massive partikler har fascineret fysikere i mere end 80 år, da den forudsiger, at selv komplekse partikler kan udvise bølgelignende adfærd-i modstrid med vores dagligdags ideer om, hvad der er virkeligt eller lokalt. Det er nu lykkedes et internationalt team af forskere at optage en film, der viser opbygningen af ​​et stofbølgeinterferensmønster fra enkeltfarvestofmolekyler, der er så stort (op til 0,1 mm), at du let kan se det med et kamera.

Dette visualiserer dualiteten af ​​partikel og bølge, tilfældighed og determinisme, lokalitet og delokalisering på en særlig intuitiv måde. At se er at tro:filmen af ​​Thomas Juffmann et al. vil blive offentliggjort den 25. marts i Naturnanoteknologi .

En kvantepremiere med farvestofmolekyler som førende aktører

Fysikeren Richard Feynman påstod engang, at interferensvirkninger forårsaget af stofbølger indeholder kvantefysikkens eneste mysterium. Forståelse og anvendelse af stofbølger til nye teknologier er også kernen i forskningen, der udføres af Quantum Nanophysics -teamet omkring Markus Arndt ved University of Vienna og Wien Center for Quantum Science and Technology.

Forskerne havde nu premiere på en film, der viser opbygningen af ​​et kvanteinterferensmønster fra stokastisk ankomne enkelte phthalocyaninpartikler, efter at disse stærkt fluorescerende farvestofmolekyler havde krydset et ultratyndt nanograt. Så snart molekylerne ankommer på skærmen, tager forskerne levende billeder ved hjælp af et rumligt opløsende fluorescensmikroskop, hvis følsomhed er så høj, at hvert molekyle kan afbildes og lokaliseres individuelt med en nøjagtighed på ca. 10 nanometer. Dette er mindre end en tusindedel af diameteren af ​​et menneskehår og stadig mindre end 1/60 af billedlysets bølgelængde.

Et pust af ingenting

I disse forsøg udgør van der Waals kræfter mellem molekylerne og ristene en særlig udfordring. Disse kræfter opstår på grund af kvanteudsving og påvirker stærkt det observerede interferensmønster. For at reducere van der Waals -interaktionen brugte forskerne riste så tynde som 10 nanometer (kun ca. 50 siliciumnitridlag). Disse ultratynde gitre blev fremstillet af nanoteknologiteamet omkring Ori Cheshnovski ved Tel Aviv University, der brugte en fokuseret ionstråle til at skære de nødvendige slidser i en fritstående membran.

Skræddersyede nanopartikler

Allerede i denne undersøgelse kunne eksperimenterne udvides til at omfatte tungere phthalocyanin-derivater, som blev skræddersyet af Marcel Mayor og hans gruppe ved University of Basel. De repræsenterer de hidtil mest massive molekyler i kvantefeltdiffraktion.

Motivation og fortsættelse

De nyudviklede og kombinerede mikro- og nanoteknologier til generering, diffraktion og detektion af molekylære stråler vil være vigtigt for at udvide kvanteinterferensforsøg til mere og mere komplekse molekyler, men også for atominterferometri.

Eksperimenterne har en stærkt didaktisk komponent:de afslører enkeltpartikelkarakteren af ​​komplekse kvantediffraktionsmønstre på en makroskopisk skala, der er synlig for øjet. Du kan se dem dukke op i realtid, og de varer i timevis på skærmen. Eksperimenterne gør således kvantefysikkens bølge-partikel-dualitet særlig håndgribelig og iøjnefaldende.

Eksperimenterne har en praktisk side, også. De giver adgang til molekylære egenskaber tæt på faste grænseflader, og de viser en vej mod fremtidige diffraktionsstudier ved atomtynde membraner.