Fysikere bygger en stabil diffraktionsstruktur i atomisk tynd grafen

Kvantefysikken fortæller os, at selv massive partikler kan opføre sig som bølger, som om de kunne være flere steder på én gang. Dette fænomen er typisk bevist i diffraktionen af ​​en stofbølge ved et gitter. I et europæisk samarbejde forskere førte denne idé til det yderste og observerede delokaliseringen af ​​molekyler ved det tyndest mulige gitter, en maske fræset ind i et enkelt lag atomer. De præsenterede eksperimenter udforsker de tekniske grænser for stofbølgeteknologier og reagerer på et berømt Gedanken-eksperiment af Einstein og Bohr for næsten 80 år siden. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Stoffets kvantemekaniske bølgenatur er grundlaget for en række moderne teknologier som højopløsningselektronmikroskopi, neutronbaserede undersøgelser af faststofmaterialer eller meget følsomme inertisensorer, der arbejder med atomer. Forskningen i gruppen omkring prof. Markus Arndt ved universitetet i Wien er fokuseret på, hvordan man kan udvide sådanne teknologier til store molekyler og klynge.

For at demonstrere den kvantemekaniske natur af et massivt objekt skal det først delokaliseres. Dette opnås i kraft af Heisenbergs usikkerhedsrelation:Hvis molekyler udsendes fra en punktlignende kilde, de begynder at 'glemme' deres position efter et stykke tid og delokaliseres. Hvis du placerer et gitter i vejen for dem, de kan ikke vide, ikke engang i princippet gennem hvilken spalte de flyver. Det er, som om de krydsede flere spalter på samme tid. Dette resulterer i en karakteristisk fordeling af partikler bag risten, kendt som diffraktions- eller interferensmønsteret. Det kan kun forstås, hvis vi tager partiklernes kvantemekaniske bølgenatur i betragtning.

På den teknologiske grænse

I et europæisk samarbejde (NANOQUESTFIT) sammen med partnere omkring professor Ori Cheshnovsky ved Tel Aviv Universitet (hvor alle nanomasker blev skrevet), samt med støtte fra grupper i Jena (vækst af biphenylmembraner, Prof. Turchanin), og Wien (elektronmikroskopi med høj opløsning, Prof. Meyer) demonstrerede de nu for første gang, at sådanne riste kan fremstilles selv af de tyndest tænkelige membraner. De fræsede transmissionsmasker til ultratynde membraner af siliciumnitrid, biphenylmolekyler eller kulstof med en fokuseret ionstråle og analyseret dem med ultrahøj opløsning elektronmikroskopi. Det lykkedes for teamet at fremstille stabile og tilstrækkeligt store riste selv i atomisk tyndt enkeltlagsgrafen.

I tidligere kvanteforsøg i samme EU-samarbejde, tykkelsen af ​​diffraktionsmasker var allerede så tynd som en hundrededel af diameteren af ​​et hår. Imidlertid, selv sådanne strukturer var stadig for tykke til diffraktion af molekyler sammensat af snesevis af atomer. Den samme kraft, som gør det muligt for gekkoer at klatre op på vægge, begrænser anvendeligheden af ​​materialegitre i kvantediffraktionseksperimenter:Molekyler tiltrækkes af gitterstængerne ligesom gekkoernes tæer mod væggen. Imidlertid, når de først klæber sig til overfladen, er de tabt til eksperimentet. En stor udfordring var at reducere materialetykkelsen og dermed de attraktive interaktioner af disse masker ned til den ultimative grænse og samtidig bevare en mekanisk stabil struktur.

"Dette er de tyndest mulige diffraktionsmasker til stofbølgeoptik. Og de gør deres arbejde meget godt", siger Christian Brand, hovedforfatteren til denne publikation. "I betragtning af gitterets tykkelse på en milliontedel af en millimeter, interaktionstiden mellem masken og molekylet er omtrent en billion gange kortere end et sekund. Vi ser, at dette er kompatibelt med højkontrast kvanteinterferens".

Et tankeeksperiment af Bohr og Einstein

Stængerne på nanogratings-looket ligner strengene på en miniatureharpe. Man kan derfor spekulere på, om molekylerne inducerer vibrationer i disse strenge, når de afbøjes til venstre eller højre under kvantediffraktion. Hvis dette var tilfældet, kunne gitterstængerne afsløre den molekylære vej gennem gitteret, og kvanteinterferens skulle ødelægges. Eksperimentet realiserer således et tankeeksperiment, som blev diskuteret af Nils Bohr og Albert Einstein allerede for årtier siden:De spurgte, om det er muligt at kende den vej, et kvante tager gennem en dobbelt spalte, mens de observerer dens bølgenatur. Løsningen på denne gåde er igen givet af Heisenbergs usikkerhedsprincip:Selvom molekylerne giver gitteret et lille spark i diffraktionsprocessen, forbliver dette rekyl altid mindre end den kvantemekaniske momentumusikkerhed for selve gitteret. Den forbliver derfor uopdagelig. Her er det vist, at dette gælder selv for membraner, der kun er et atom tykke.