Выборочные кадры из фильма в режиме реального времени, показывающие возникновение картины квантовой интерференции с большими молекулами фталоцианина. (Источник: Juffmann и др.)

(Wave–particle duality captured on film)

Международная группа физиков сделала первый фильм в режиме реального времени, где заснято возникновение интерференционной картины при прохождении через две щели крупных молекул. Будучи прекрасным примером корпускулярно-волнового дуализма квантовой механики, эта работа могла бы обеспечить более глубокое представление о границах между квантовой и классической физикой.

Возникновение интерференционной картины, когда отдельные частицы проходят через две близкие щели в экране, является одним из самых известных примеров того как такой объект как электрон может вести себя и как частица и как волна. Это исследование имеет свои корни в знаменитом двухщелевом эксперименте, проведенном Томасом Юнгом в начале 1800-х годов. Когда Юнг направил свет через свой аппарат, он увидел картину светлых и темных полос, которые можно объяснить только интерференцией волновых фронтов. В 1920-е годы было показано, что тоже самое происходит с электронами, являясь следствием к концепции корпускулярно-волнового дуализма. Совсем недавно подобное поведение наблюдали, используя молекулы, содержащие до 400 атомов.

Физики также показали, что отдельные частицы создают интерференционную картину, которая накапливается, когда они проходят через щели одна за другой, а затем достигают детектора. Это подтверждает, что каждая отдельная частица действительно ведет себя как волна, проходя через щели. Наблюдение за этим поведением больших молекул особенно интересно, поскольку позволяет исследователям изучить, есть ли порог, при котором частицы прекращают вести себя как волны, и начинают подчиняться законам классической физики.

Инновационная интерференция

Недавно физики в институтах Австрии, Израиля, Швейцарии и Германии наблюдали в режиме реального времени как создается интерференционная картина на 58-атомных молекулах фталоцианина (C ₃₂ H ₁₈ N 8) и 114-атомных молекулах производной от фталоцианина (C ₄₈ H ₂₆ F ₂₄ N ₈ O ₈ ) — последняя является крупнейшей молекулой для такого рода экспериментов. Молекулы были произведены с использованием микро-испарения, при котором лазер фокусируется на тонкий слой вещества. Это привело к снижению тепловой нагрузки на образец, предотвращая молекулы от разрушения и обеспечивая исследователей интенсивным и когерентным пучком больших органических молекул.

Кроме того, группа создала нитрид-кремниевую дифракционную решетку с расстоянием между щелями 100 нм. Это гарантировало, что угол дифракции был достаточно большой, чтобы разрешить молекулы после того, как их пропускают через щели. Кроме того, сама решетка была только 10 нм толщиной - примерно в 16 раз тоньше, чем предыдущие решетки - для того, чтобы уменьшить взаимодействие между молекулами и материалом решетки.

Еще одним важным нововведением стало использование флуоресцентной микроскопии для обнаружения молекул. Оно включало возбуждение молекул с помощью лазера, и излучаемый ими свет удалось заснять на камеру — электронно-умножительный прибор с зарядовой связью (EMCCD). Этот метод, позволил определить положение каждой молекулы с точностью до 10 нм, что является приблизительно в 10000 раз чувствительнее, чем предыдущие методы обнаружения.

Картинка из учебника

Конечный продукт представляет собой фильм, показывающий постепенное возникновение квантовой интерференционной картины в течение 90 мин, при этом каждая молекула появляется как люминесцентное пятнышко на темном фоне.

«Появление каждой отдельной излучающей молекулы объективно непредсказуемо, однако, ансамбль показывает идеальную детерминированную интерференционную картину», говорит участник группы Маркус Арндт (Markus Arndt) из Венского университета. «Предыдущие эксперименты могли видеть интерференцию, но они были не в состоянии хранить частицы на детекторе для последующего анализа. Флуоресценция визуализирует частицу из молекул намного лучше, чем любой из предыдущих методов и это можно сделать в течение нескольких часов после эксперимента.»

Ученые использовали эти изображения для построения кривых дифракции, объединяя картинки по части распределения скоростей молекул. Как и ожидалось, кривые имеют сильный центральный пик, окруженный слабыми вторичными пиками - описываемые исследователями как «картинки в учебнике по дифракции плоской волны на решетке».

Квантовые ограничения

«Изучение квантовой интерференции больших молекул важно, потому что это способ изучить, насколько область квантового поведения может быть продлена до макроскопических объектов», говорит Виланд Шёлкопф (Wieland Schöllkopf), физик из института Макса Планка (Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft) в Берлине, который не принимал участия в исследовании. «Я думаю, что все более изощренные экспериментальные методы, как, например, нанотехнологии, используемые Венской группой, смогут расширять границы все дальше и дальше».

Арндт считает, что их технологии могут быть расширены до еще более высокой молекулярной массы. «Квантовая механика никогда не проверялась на таком масштабе, а это и есть задача экспериментаторов — исследовать неизведанное», говорит Арндт. «Является ли наш мир чисто квантовым или же имеется в реальности переход к классической физике - это открытый вопрос для будущих экспериментов.»

Исследование описано в Nature Nanotechnology .

Видео из фильма можно посмотреть здесь .

Об авторе Джеймс Ллойд (James Lloyd), Великобритания.

Перевод: Олег Кириллов