De kwantumfysica vertelt ons dat zelfs massieve deeltjes zich als golven kunnen gedragen, alsof ze op meerdere plaatsen tegelijk kunnen zijn. Dit fenomeen wordt typisch bewezen in de diffractie van een materiegolf bij een rooster. In een Europese samenwerking onderzoekers voerden dit idee tot het uiterste door en observeerden de delokalisatie van moleculen op het dunst mogelijke rooster, een masker gefreesd tot een enkele laag atomen. De gepresenteerde experimenten verkennen de technische grenzen van materiegolftechnologieën en reageren op een beroemd Gedanken-experiment van Einstein en Bohr van bijna 80 jaar geleden. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Het kwantummechanische golfkarakter van materie vormt de basis voor een aantal moderne technologieën zoals hoge resolutie elektronenmicroscopie, op neutronen gebaseerde studies op vastestofmaterialen of zeer gevoelige traagheidssensoren die met atomen werken. Het onderzoek in de groep rond Prof. Markus Arndt aan de Universiteit van Wenen richt zich op hoe je zulke technologieën kan uitbreiden naar grote moleculen en clusters.

Om de kwantummechanische aard van een massief object aan te tonen, moet het eerst worden gedelokaliseerd. Dit wordt bereikt dankzij de onzekerheidsrelatie van Heisenberg:als moleculen worden uitgezonden vanuit een puntachtige bron, ze beginnen na een tijdje hun positie te 'vergeten' en delokaliseren. Als je een rooster in hun weg legt, ze kunnen het niet weten, niet eens in principe, door welke spleet ze vliegen. Het is alsof ze meerdere spleten tegelijk doorkruisen. Dit resulteert in een karakteristieke verdeling van deeltjes achter het rooster, bekend als het diffractie- of interferentiepatroon. Het kan alleen worden begrepen als we rekening houden met het kwantummechanische golfkarakter van de deeltjes.

Op de technologische limiet

In een Europese samenwerking (NANOQUESTFIT) samen met partners rond Professor Ori Cheshnovsky aan de Universiteit van Tel Aviv (waar alle nanomaskers werden geschreven), evenals met ondersteuning door groepen in Jena (groei van bifenylmembranen, prof. Turchanin), en Wenen (hoge resolutie elektronenmicroscopie, Prof. Meyer) toonden ze nu voor het eerst aan dat dergelijke roosters zelfs uit de dunst denkbare membranen kunnen worden vervaardigd. Ze hebben transmissiemaskers gefreesd tot ultradunne membranen van siliciumnitride, bifenylmoleculen of koolstof met een gefocusseerde ionenbundel en analyseerde ze met ultrahoge resolutie elektronenmicroscopie. Het team slaagde erin stabiele en voldoende grote roosters te fabriceren, zelfs in atomair dun enkellaags grafeen.

In eerdere kwantumexperimenten van dezelfde EU-samenwerking, de dikte van diffractiemaskers was al zo dun als een honderdste van de diameter van een haar. Echter, zelfs zulke structuren waren nog te dik voor de diffractie van moleculen die uit tientallen atomen bestonden. Dezelfde kracht waarmee gekko's muren kunnen beklimmen, beperkt de toepasbaarheid van materiële roosters in kwantumdiffractie-experimenten:moleculen worden aangetrokken door de traliestaven zoals de tenen van gekko's naar de muur. Echter, zodra ze aan het oppervlak blijven kleven, zijn ze verloren voor het experiment. Een grote uitdaging was om de materiaaldikte en daarmee de aantrekkelijke interacties van deze maskers tot het uiterste te reduceren met behoud van een mechanisch stabiele structuur.

"Dit zijn de dunst mogelijke diffractiemaskers voor materiegolfoptica. En ze doen hun werk heel goed", zegt Christian Brand, de hoofdauteur van deze publicatie. "Gezien de dikte van de roosters van een miljoenste millimeter, de interactietijd tussen het masker en het molecuul is ongeveer een biljoen keer korter dan een seconde. We zien dat dit compatibel is met kwantuminterferentie met hoog contrast".

Een gedachte-experiment van Bohr en Einstein

De staven van de nanoroosters lijken op de snaren van een miniatuurharp. Je kunt je daarom afvragen of de moleculen trillingen in deze snaren opwekken als ze bij kwantumdiffractie naar links of naar rechts worden afgebogen. Als dit het geval zou zijn, zouden de traliestaven het moleculaire pad door het tralie kunnen onthullen en zou de kwantuminterferentie vernietigd moeten worden. Het experiment realiseert dus een gedachte-experiment dat al tientallen jaren geleden werd besproken door Nils Bohr en Albert Einstein:ze vroegen of het mogelijk is om het pad te kennen dat een kwantum door een dubbele spleet neemt terwijl het zijn golfkarakter observeert. De oplossing voor dit raadsel wordt opnieuw geleverd door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg:hoewel de moleculen het rooster een kleine kick geven in het diffractieproces, blijft deze terugslag altijd kleiner dan de kwantummechanische impulsonzekerheid van het rooster zelf. Het blijft dus onvindbaar. Hier wordt aangetoond dat dit zelfs geldt voor membranen die maar één atoom dik zijn.