La fisica quantistica ci dice che anche le particelle massicce possono comportarsi come onde, come se potessero essere in più posti contemporaneamente. Questo fenomeno è tipicamente dimostrato nella diffrazione di un'onda di materia su un reticolo. In una collaborazione europea, i ricercatori hanno portato questa idea all'estremo e hanno osservato la delocalizzazione delle molecole al reticolo più sottile possibile, una maschera macinata in un singolo strato di atomi. Gli esperimenti presentati esplorano i limiti tecnici delle tecnologie delle onde di materia e rispondono a un famoso esperimento Gedanken di Einstein e Bohr di quasi 80 anni fa. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nanotecnologia della natura .

La natura ondulatoria della meccanica quantistica della materia è la base per una serie di moderne tecnologie come la microscopia elettronica ad alta risoluzione, studi basati sui neutroni su materiali allo stato solido o sensori inerziali altamente sensibili che lavorano con gli atomi. La ricerca nel gruppo attorno al Prof. Markus Arndt presso l'Università di Vienna è focalizzata su come estendere tali tecnologie a grandi molecole e cluster.

Per dimostrare la natura quantomeccanica di un oggetto massiccio, deve prima essere delocalizzato. Ciò si ottiene in virtù della relazione di incertezza di Heisenberg:se le molecole vengono emesse da una sorgente puntiforme, dopo un po' iniziano a "dimenticare" la loro posizione ea delocalizzare. Se metti una grata sulla loro strada, non possono sapere, nemmeno in linea di principio, attraverso la quale stanno volando. È come se attraversassero più fenditure contemporaneamente. Ciò si traduce in una distribuzione caratteristica delle particelle dietro il reticolo, noto come schema di diffrazione o interferenza. Può essere compreso solo se prendiamo in considerazione la natura ondulatoria della meccanica quantistica delle particelle.

Al limite tecnologico

In una collaborazione europea (NANOQUESTFIT) insieme ai partner del professor Ori Cheshnovsky dell'Università di Tel Aviv (dove sono state scritte tutte le nanomaschere), così come con il supporto di gruppi a Jena (crescita di membrane bifeniliche, Prof. Turchanin), e Vienna (microscopia elettronica ad alta risoluzione, Prof. Meyer) hanno ora dimostrato per la prima volta che tali reticoli possono essere fabbricati anche dalle membrane più sottili immaginabili. Hanno fresato maschere di trasmissione in membrane ultrasottili di nitruro di silicio, molecole di bifenile o carbonio con un fascio di ioni focalizzato e le hanno analizzate con microscopia elettronica ad altissima risoluzione. Il team è riuscito a fabbricare reticoli stabili e sufficientemente grandi anche nel grafene a strato singolo atomicamente sottile.

In precedenti esperimenti quantistici della stessa collaborazione UE, lo spessore delle maschere di diffrazione era già sottile come un centesimo del diametro di un capello. Però, anche tali strutture erano ancora troppo spesse per la diffrazione di molecole composte da decine di atomi. La stessa forza che consente ai gechi di arrampicarsi sui muri limita l'applicabilità dei reticoli di materiale negli esperimenti di diffrazione quantistica:le molecole sono attratte dalle barre del reticolo come le dita dei gechi contro il muro. Però, una volta che si attaccano alla superficie si perdono nell'esperimento. Una grande sfida è stata quella di ridurre lo spessore del materiale e quindi le interazioni attraenti di queste maschere fino al limite ultimo, pur mantenendo una struttura meccanicamente stabile.

"Queste sono le maschere di diffrazione più sottili possibili per l'ottica delle onde della materia. E fanno molto bene il loro lavoro", dice Christian Brand, l'autore principale di questa pubblicazione. "Dato lo spessore delle griglie di un milionesimo di millimetro, il tempo di interazione tra la maschera e la molecola è circa un trilione di volte più breve di un secondo. Vediamo che questo è compatibile con l'interferenza quantistica ad alto contrasto".

Un esperimento mentale di Bohr e Einstein

Le barre dei nanoreti assomigliano alle corde di un'arpa in miniatura. Ci si può quindi chiedere se le molecole inducano vibrazioni in queste stringhe quando vengono deviate a sinistra oa destra durante la diffrazione quantistica. Se così fosse, le barre del reticolo potrebbero rivelare il percorso molecolare attraverso il reticolo e l'interferenza quantistica dovrebbe essere distrutta. L'esperimento realizza così un esperimento mentale che è stato discusso da Nils Bohr e Albert Einstein già decenni fa:si chiedevano se fosse possibile conoscere il percorso di un quanto attraverso una doppia fenditura osservando la sua natura ondulatoria. La soluzione a questo enigma è ancora una volta fornita dal principio di indeterminazione di Heisenberg:sebbene le molecole diano un piccolo calcio al reticolo nel processo di diffrazione, questo rinculo rimane sempre inferiore all'incertezza quantistica del momento meccanico del reticolo stesso. Rimane quindi non rilevabile. Qui viene mostrato che questo vale anche per membrane che sono spesse solo un atomo.