Новости химической науки > Эксперимент с двойной щелью в режиме реального времени

Ричард Фейнман (Richard Feynman), один из величайших физиков ХХ века, однажды заявил, что эксперимент с двойной щелью (double-slit experiment) позволил заглянуть в самое сердце квантовой механики. Международной группе исследователей удалось «освежить» эксперимент, их подход позволяет любому наблюдать за ним в режиме реального времени.

Чтобы уяснить себе суть эксперимента с двойной щелью представьте. Что мы бомбардируем стену, содержащую две узких щели, потоком твердых частиц; на некотором расстоянии с другой стороны стены частицы будут собираться в виде двух отстоящих друг от друга кучек. Теперь представьте, что на стену с двумя щелями накатываются волны воды. В этом случае в отличие от «двух кучек воды» мы будем наблюдать интерференцию волн, проходящих через отверстия в стене, эта интерференция будет приводить к появлению не двух пиков максимума распределения материи, а к сложной системе максимумов и минимумов – интерференционной картине. Именно эти результат двух мысленных экспериментов и демонстрирует различие между частицами и волнами.

Лазерный испаритель применяется для того, чтобы бомбардировать дифракционную решетку молекулами фталоцианина и его производными. (Рисунок из Nat. Nanotechnol., 2012, DOI: 10.1038/nnao.2012.34)

Однако при переходе к изучению квантовых объектов и разработке средств квантовомеханического описания микромира четкие границы между частицами и волнами оказались размытыми. При прохождении электронов через систему с двумя щелями с другой стороны от преграды наблюдается не два четко выраженных пика, а набор из множества пиков и минимумов, что позволило предположить существование интерференции электронов и сделать первоначальный вывод о том, что в потоке электроны интерферируют друг с другом как волны. Позднее было обнаружено, что и одиночный электрон интерферирует, обладая, таким образом волновыми свойства.

В последние годы эксперименты с двойной щелью проводили и с большими молекулами, отслеживая их траекторию по конечному распределению, однако до настоящего времени не был проведен демонстрационный эксперимент, позволяющий наблюдать за одновременным перемещение молекулы сразу через две щели в режиме реального времени. Разработавший новый эксперимент Маркус Арндт (Markus Arndt) из Университета Вены отмечает, что его эксперимент настолько близок к классике, описанной в учебниках по квантовой механике, насколько это возможно.

Молекулы, которые использовались для новой демонстрации эксперимента, представляли собой фталоцианин и его производные. С помощью испарения лазером эти молекулы направляли к дифракционной решетке из нитрида кремния, в рамках этой дифракционной решетки отельные щели располагались на расстоянии в 100 нанометров. Наблюдение за отдельными молекулами проводили с помощью флуоресцентного микроскопа, подключенного к компьютерной системе. Исследователи наблюдали образование ожидаемой интерференционной картины даже в том случае, если при перемещении отдельной молекулы – наглядное подтверждение фундаментального принципа квантовой механики – принципа корпускулярно-волнового дуализма.

Рейнхард Дорнер (Reinhard Dörner), специалист по квантовой физике из Университета им. Гете во Франкфурте заявляет, что, на его взгляд, работа Ардта представляет собой замечательную демонстрацию, и он планирует использовать результаты этого эксперимента в качестве наглядного материала на учебных лекциях по квантовой механике.

Арндт полагает, что разработанная им методика открывает широкие возможности по проведению квантово-интерференционных экспериментов с большими по размеру объектам – большими молекулами белка и вирусами.

Источник: Nat. Nanotechnol., 2012, DOI: 10.1038/nnao.2012.34

метки статьи: #квантовая химия