La fisica quantistica delle particelle massicce ha incuriosito i fisici per più di 80 anni, poiché prevede che anche le particelle complesse possono esibire un comportamento ondulatorio, in conflitto con le nostre idee quotidiane su ciò che è reale o locale. Un team internazionale di scienziati è ora riuscito a girare un film che mostra l'accumulo di un modello di interferenza materia-onda da singole molecole di colorante che è così grande (fino a 0,1 mm) che puoi facilmente vederlo con una fotocamera.

Questo visualizza le dualità di particella e onda, casualità e determinismo, località e delocalizzazione in modo particolarmente intuitivo. Vedere per credere:il film di Thomas Juffmann et al. sarà pubblicato il 25 marzo in Nanotecnologia della natura .

Una prima quantistica con le molecole coloranti come protagoniste

Il fisico Richard Feynman una volta ha affermato che gli effetti di interferenza causati dalle onde di materia contengono l'unico mistero della fisica quantistica. Comprendere e applicare le onde della materia per le nuove tecnologie è anche al centro della ricerca condotta dal team di Quantum Nanophysics intorno a Markus Arndt presso l'Università di Vienna e il Vienna Center for Quantum Science and Technology.

Gli scienziati hanno presentato in anteprima un film che mostra l'accumulo di un modello di interferenza quantistica da singole particelle di ftalocianina che arrivano stocasticamente dopo che queste molecole di colorante altamente fluorescenti hanno attraversato un nanoreticolo ultrasottile. Non appena le molecole arrivano sullo schermo, i ricercatori acquisiscono immagini dal vivo utilizzando un microscopio a fluorescenza a risoluzione spaziale la cui sensibilità è così elevata che ogni molecola può essere ripresa e localizzata individualmente con una precisione di circa 10 nanometri. Questo è meno di un millesimo del diametro di un capello umano e ancora meno di 1/60 della lunghezza d'onda della luce di imaging.

Un respiro di niente

In questi esperimenti le forze di van der Waals tra le molecole ei reticoli rappresentano una sfida particolare. Queste forze sorgono a causa delle fluttuazioni quantistiche e influenzano fortemente il modello di interferenza osservato. Per ridurre l'interazione di van der Waals, gli scienziati hanno utilizzato reticoli sottili fino a 10 nanometri (solo circa 50 strati di nitruro di silicio). Questi reticoli ultrasottili sono stati prodotti dal team di nanotecnologia intorno a Ori Cheshnovski presso l'Università di Tel Aviv, che ha utilizzato un fascio di ioni focalizzato per tagliare le fessure necessarie in una membrana indipendente.

Nanoparticelle su misura

Già in questo studio gli esperimenti potrebbero essere estesi ai derivati ​​più pesanti della ftalocianina che sono stati realizzati su misura da Marcel Mayor e dal suo gruppo presso l'Università di Basilea. Rappresentano finora le molecole più massicce nella diffrazione quantistica di campo lontano.

Motivazione e continuazione

Le micro e nanotecnologie di nuova concezione e combinate per la generazione, la diffrazione e la rilevazione dei fasci molecolari sarà importante per estendere gli esperimenti di interferenza quantistica a molecole sempre più complesse ma anche per l'interferometria atomica.

Gli esperimenti hanno una componente fortemente didattica:rivelano il carattere di singola particella di complessi pattern di diffrazione quantistica su scala macroscopica visibile ad occhio nudo. Puoi vederli emergere in tempo reale e durano per ore sullo schermo. Gli esperimenti rendono così la dualità onda-particella della fisica quantistica particolarmente tangibile e cospicuo.

Gli esperimenti hanno un lato pratico, pure. Consentono di accedere alle proprietà molecolari vicino alle interfacce solide e mostrano una via verso futuri studi di diffrazione a membrane atomicamente sottili.