O echipă internaţională de fizicieni a reuşit să filmeze în timp real tiparul de interferenţă creat de molecule mari, după ce acestea treceau prin două fante. Tehnica ar putea furniza detalii suplimentare despre graniţele dintre fizica cuantică şi cea clasică.
Mai mult decât atât, avem de-a face cu un exemplu minunat care evidenţiază dualitatea undă-particulă din mecanica cuantică.
Procesul de realizare a unui tipar de interferenţă pe un ecran pe măsură ce particulele trec prin două fante alăturate este unul dintre cele mai faimoase exemple despre cum o entitate cuantică, de pildă un electron, se poate comporta atât ca o particulă, cât şi ca undă. Aceste cercetări îşi au originea în celebrul experiment cu două fante realizat de Thomas Young la începutul anilor 1880. Când Young a emis lumină prin aparatul său, a observat un tipar de franje luminoase şi întunecate, care puteau fi explicate doar de interferenţa fronturilor de undă. În anii 1920, s-a arătat că acelaşi fenomen apare şi în cazul electronilor, punându-se astfel bazele conceptului dualităţii undă-particulă. Recent, comportamente similare au fost observate în momentul folosirii moleculelor având în conţinut un număr de până la 400 de atomi.
De asemenea, fizicienii au demonstrat că particulele individuale creează un tipar de interferenţă care ia naştere pe măsură ce acestea trec prin fante, una câte una, apoi ajung la detector. Astfel, se confirmă că fiecare particulă se comportă ca o undă, în timp ce trece prin fante. Observarea comportamentului cuantic în cazul moleculelor de mari dimensiuni este de interes deoarece permite cercetătorilor să investigheze dacă există un prag la care particulele nu se mai comportă ca unde şi încep să urmeze legile clasice ale fizicii.
Interferenţe inovatoare
În prezent, fizicieni de la institute din Austria, Israel, Elveţia şi Germania, au observat, în timp real, crearea tiparelor de interferenţă de către molecule de ftalocianină cu 58 de atomi (C32H18N8) şi derivaţi de ftalocianină cu 114 atomi (C48H26F24N8O8), cele din urmă fiind cele mai mari molecule care au fost studiate în această manieră. Moleculele au fost produse folosind micro-evaporarea, proces în care o rază laser a fost focalizată pe un strat subţire de substanţă. Astfel s-a redus sarcina termică aplicată mostrei, prevenind descompunerea moleculelor şi furnizând cercetătorilor un fascicul intens şi coerent de molecule organice mari.
Echipa a mai creat şi o reţea de difracţie din azotat de siliciu, cu o separare de 100 nm între fante. Aceasta a asigurat că unghiul de difracţie a fost suficient de mare pentru a rămâne fix după ce moleculele au trecut prin fante. Mai mult, reţeaua a avut doar 10 nm grosime (de 16 ori mai subţire decât reţelele anterioare), pentru a reduce interacţiunile dintre molecule şi materialul reţelei.
O altă inovaţie importantă a fost utilizarea microscopiei fluorescente pentru detectarea moleculelor. Acest proces a implicat excitarea moleculelor cu un laser, iar lumina emisă de acestea a fost proiectată pe o cameră EMCCD (dispozitiv CCD de multiplicare a electronilor). Această tehnică, care a permis determinarea poziţiei fiecărei molecule cu o precizie de 10 nm, a fost de 10000 de ori mai sensibilă decât metodele anterioare de detecţie.
Frame-uri selectate dintr-un film în timp real care înfăţişează construirea tiparului de interferenţă cuantică obţinut în experimentul cu două fante folosind molecule mari de ftalocianină.
Credit: Juffmann et al.
Un tipar de interferenţă de manual
Produsul final este un film prezentând crearea succesivă a tiparului de interferenţă pe durata a 90 de minute, fiecare moleculă apărând ca un punct fluorescent pe un fundal negru.
„Sosirea fiecărei molecule radiante este, obiectiv, impredictibilă şi, totuşi, ansamblul relevă tiparul de interferenţă într-o manieră perfect deterministă”, spune un membru al echipei, Markus Arndt, de la Universitatea din Viena. „Experimentele anterioare redau interferenţa însă nu se puteau stoca particulele pe un detector pentru analize ulterioare. Prin intermediul imagisticii fluorescente se poate vizualiza natura particulelor din molecule, mult mai bine decât cu orice altă versiune anterioară şi se poate face acest lucru şi la câteva ore după experiment”.
Echipa a folosit aceste imagini pentru a trasa curbele 1D de difracţie, integrând tiparele peste o secţiune a distribuţiei vitezei moleculelor. Cum era de aşteptat, curbele indică un punct maxim central, înconjurat de puncte secundare (descrise de cercetători ca o „difracţie de manual a unor unde plane pe o reţea de difracţie”).
Limitele cuantice
„Studiul interferenţei cuantice a moleculelor mari este important deoarece reprezintă o cale de explorare a limitelor comportamentului cuantic până la care se poate ajunge în cazul obiectelor macroscopice”, spune Wieland Schöllkopf, fizician de la Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft din Berlin, care nu a fost implicat în studiu. „Cred că pe baza altor tehnici experimentale ingenioase precum, de exemplu, nanotehnologiile folosite de grupul din Viena, va fi posibilă mutarea limitelor din ce în ce mai departe”.
Arndt consideră că tehnologiile lor pot fi acum scalate pentru mase moleculare mai mari. „Mecanica cuantică nu a fost testată până acum pentru acest regim parametrizat şi este sarcina experimentatorilor să exploreze necunoscutul”, spune Arndt. „Dacă lumea noastră este pur cuantică sau dacă există o tranziţie efectivă către fizica clasică, este un răspuns care poate fi dat doar prin experimente viitoare”.
Un videoclip pe această temă poate fi urmărit aici.
Cercetările prezentate sunt descrise în „Nature Nanotechnology”.
Traducere după Quantum interference: the movie, cu acordul physicsworld.com.
Traducerea: Ştefan Ciprian Arseni
