De kwantumfysica van massieve deeltjes intrigeert natuurkundigen al meer dan 80 jaar, omdat het voorspelt dat zelfs complexe deeltjes golfachtig gedrag kunnen vertonen - in strijd met onze alledaagse ideeën over wat echt of lokaal is. Een internationaal team van wetenschappers is er nu in geslaagd een film op te nemen die de opbouw laat zien van een materiegolfinterferentiepatroon van enkele kleurstofmoleculen dat zo groot is (tot 0,1 mm) dat je het gemakkelijk kunt zien met een camera.

Dit visualiseert de dualiteiten van deeltje en golf, willekeur en determinisme, lokalisatie en delokalisatie op een bijzonder intuïtieve manier. Zien is geloven:de film van Thomas Juffmann et al. verschijnt op 25 maart in Natuur Nanotechnologie .

Een kwantumpremière met kleurstofmoleculen als hoofdrolspelers

Natuurkundige Richard Feynman beweerde ooit dat interferentie-effecten veroorzaakt door materiegolven het enige mysterie van de kwantumfysica bevatten. Het begrijpen en toepassen van materiegolven voor nieuwe technologieën vormt ook de kern van het onderzoek dat wordt uitgevoerd door het Quantum Nanophysics-team rond Markus Arndt aan de Universiteit van Wenen en het Vienna Center for Quantum Science and Technology.

De wetenschappers hebben nu een film in première gebracht die de opbouw laat zien van een kwantuminterferentiepatroon van stochastisch arriverende enkele ftalocyaninedeeltjes nadat deze zeer fluorescerende kleurstofmoleculen een ultradunne nanorooster hebben doorkruist. Zodra de moleculen op het scherm arriveren, maken de onderzoekers live beelden met behulp van een ruimtelijk oplossende fluorescentiemicroscoop waarvan de gevoeligheid zo hoog is dat elk molecuul afzonderlijk kan worden afgebeeld en gelokaliseerd met een nauwkeurigheid van ongeveer 10 nanometer. Dit is minder dan een duizendste van de diameter van een mensenhaar en nog steeds minder dan 1/60 van de golflengte van het beeldvormende licht.

Een adem van niets

In deze experimenten vormen van der Waals-krachten tussen de moleculen en de roosters een bijzondere uitdaging. Deze krachten ontstaan ​​door kwantumfluctuaties en hebben een sterke invloed op het waargenomen interferentiepatroon. Om de van der Waals-interactie te verminderen, gebruikten de wetenschappers roosters zo dun als 10 nanometer (slechts ongeveer 50 siliciumnitridelagen). Deze ultradunne roosters werden vervaardigd door het nanotechnologieteam rond Ori Cheshnovski aan de Universiteit van Tel Aviv, die een gefocusseerde ionenstraal gebruikte om de vereiste spleten in een vrijstaand membraan te snijden.

Op maat gemaakte nanodeeltjes

Reeds in deze studie konden de experimenten worden uitgebreid naar ftalocyanine zwaardere derivaten die op maat waren gemaakt door Marcel Mayor en zijn groep aan de Universiteit van Basel. Ze vertegenwoordigen de meest massieve moleculen tot nu toe in kwantumdiffractie in het verre veld.

Motivatie en vervolg

De nieuw ontwikkelde en gecombineerde micro- en nanotechnologieën voor het opwekken, het buigen en detecteren van moleculaire bundels zal belangrijk zijn voor het uitbreiden van kwantuminterferentie-experimenten naar steeds complexere moleculen, maar ook voor atoominterferometrie.

De experimenten hebben een sterk didactische component:ze onthullen het één-deeltje karakter van complexe kwantumdiffractiepatronen op macroscopische schaal die zichtbaar is voor het oog. Je kunt ze in realtime zien verschijnen en ze blijven urenlang op het scherm. De experimenten maken daarmee de golf-deeltjesdualiteit van de kwantumfysica bijzonder tastbaar en opvallend.

De experimenten hebben een praktische kant, te. Ze geven toegang tot moleculaire eigenschappen in de buurt van vaste grensvlakken en ze tonen een weg naar toekomstige diffractiestudies op atomair dunne membranen.