 Квантовомеханическая волновая природа материи является основой для ряда таких современных технологий, как электронная микроскопия высокого разрешения, лежащая в основе нейтронных исследований по твердотельным материалам или высокочувствительным инерциальным датчикам, работающим с атомами. Исследование группы Венского университета сосредоточен на том, как можно расширить эти технологии для больших молекул и кластеров.
Для того, чтобы продемонстрировать квантовую механическую природу массивного объекта, он сначала должен быть делокализован. Это достигается за счет соотношения неопределенностей Гейзенберга: если молекулы вылетают из точечного источника, они начинают «забывать» свою позицию через некоторое время и делокализоваться. Если поместить решетку на их пути, они не могут знать даже в принципе, через какую щель они летят- как если бы они пролетали несколько щелей в одно то же время. Это приводит к характерным распределениям частиц за решеткой, известным как дифракция или интерференционная картина. Ее можно понять, только если принимать во внимание квантовую механическую волновую природу частиц.
Теперь международная группа исследователей впервые продемонстрировала, что такие решетки могут быть изготовлены даже из самых тонких мыслимых мембран. Они измельчили маски передачи в ультратонкие оболочки нитрида кремния, молекул бифенила или углерода с сфокусированным ионным пучком и проанализировали их с помощью электронной микроскопии ультравысокого разрешения. Команда успешно изготовили стабильные и достаточно большие решетки даже в атомно-тонком однослойном графене.
В предыдущих квантовых экспериментах того не научного сотрудничества, толщина дифракционных масок уже имела толщину сотого диаметра. Тем не менее, даже такие структуры были еще слишком толстыми для дифракции молекул, состоящих из десятков атомов. Та же сила, которая позволяет гекконам лазить по стенам, ограничивает применимость материала решеток в квантовых экспериментах по дифракции: молекулы притягиваются к решеткам подобно тому, как пальцы гекконов прикрепляются к стене. Однако, как только они прилипают к поверхности, они будут потеряны для эксперимента. Самой сложной задачей было снижение толщины материала и, таким образом привлечение взаимодействия этих масок до последнего предела, сохраняя механически стабильную структуру.
Эти самые тонкие возможные дифракционные маски для волновой оптики. И они делают свою работу очень хорошо. Учитывая толщину решеток в миллионную долю миллиметра, время взаимодействия между маской и молекулам составляет примерно в триллион раз меньше секунды. И это совместимо с высокой контрастностью квантовой интерференции.
Нанорешетки напоминают струны миниатюрной арфы. Поэтому можно усомниться в том, что молекулы вызывают колебания в этих струнах, когда они отклоняются влево или вправо во время квантовой дифракции. Если бы это было так, то решетки могли бы раскрыть молекулярный путь через них и квантовой интерференции должна была быть уничтожена. Эксперимент, таким образом, является реализацией мысленного эксперимента, который обсуждался Нильсом Бором и Альбертом Эйнштейном уже десятилетия назад: Они интересовались, можно ли узнать путь, который квант проходит через двойную щель, наблюдая его волновую природу. Решение этой загадки снова предоставляется с помощью принципа неопределенности Гейзенберга: несмотря на то, что молекулы дают решетке небольшую отдачу в процессе дифракции, эта отдача всегда будет меньше, чем квантово-механическая неопределенность импульса самой решетки. Поэтому он остается невозможным для обнаружения. Здесь показано, что это относится даже к мембранам, которые имеют толщину всего лишь в один атом.
|
