Опыт с прохождением крупных молекул сквозь щели сопоставимого с ними масштаба не только эффектно продемонстрировал корпускулярно-волновой дуализм вещества, но и представил новый способ изучения сложных соединений и их поведения на границе классической и квантовой физики.

Учёные из Венского университета провели красивый эксперимент с дифракцией и интерференцией молекул фталоцианина и его производных (врезки d и e на рисунке ниже), весящих до 1298 атомных единиц массы.

Как и в похожем предыдущем опыте, главной целью было проявление квантовой природы молекул. Причём во главу угла была поставлена наглядность.

Фталоцианин и его вариации использовались именно потому, что это — флуоресцентные красители, единичные молекулы которых можно эффективно снимать на видео при помощи микроскопа с камерой, попутно определяя их положение с точностью 10 нм.

Рис. 1. Основные части опытной установки. Пояснения в тексте (иллюстрация University of Vienna, Thomas Juffmann et al./Nature Nanotechnology).

Пучок летящих друг за другом молекул в вакуумированной трубе создавался при помощи испарения с поверхности стекла (W1 на рисунке вверху) очень тонкого слоя красителя, «нежно» нагреваемого слабым (50 мВт) лазерным лучом с длиной волны 445 нм (синий цвет).

Оригинальная техника измерения площади красителя на стекле позволила убедиться, что с поверхности образца вылетали друг за другом именно единичные молекулы, а не их конгломераты.

Далее эти путешественники пролетали сквозь коллиматорную щель (S), а вслед за ней — дифракционную решётку (G) из нитрида кремния. Её толщина составила всего 10 нм, шаг решётки – 100 нм, ширина разрезов – 50 нм.

Эта решётка была создана специально для данного опыта в университете Тель-Авива (Tel Aviv University). Её малая толщина позволила свести к минимуму вредное влияние сил Ван-дер-Ваальса, возникающих между молекулами решётки и пролетающими сквозь щели молекулами красителя. А такое взаимодействие могло исказить интерференционную картину.

После решётки молекулы попадали на поверхность второго (финишного) кварцевого окна (W2), где их возбуждал другой лазер (661 нм, красный), направляемый на пластину под углом так, чтобы не засвечивать камеру.

Флуоресценция фталоцианина снималась через объектив микроскопа и фильтр при помощи светочувствительной матрицы с электронным умножением (EMCCD), способной ловить единичные фотоны.

Рис. 2. Несколько кадров из фильма с фталоцианином, сделанных в начале опыта (a) и через две минуты (b), 20 мин ©, 40 мин (d), 90 мин (e). g – направление силы тяжести. Масштабные линейки — 20 мкм. Цветная шкала отражает число пойманных фотонов (от нуля до 650) (фото University of Vienna, Thomas Juffmann et al./Nature Nanotechnology).

Таким изящным методом европейским учёным удалось получить фильм, в котором видно, как со временем (по мере выпуска всё новых и новых молекул) на финальной пластине всё ярче и ярче проступает интерференционная картина, передаёт EurekAlert. Благодаря дифракции на ультратонкой решётке случайно прибывающие на финиш массивные частицы великолепно проявляли свою волновую сторону.

Новая установка фиксировала почти 100% частиц, выпущенных на старте и прошедших через решётку, рассказывают учёные. Были получены кривые, описывающие картину интерференции этих частиц как волн. По ним можно было вычислить немало параметров самих молекул.

При этом распределение молекул по вертикали (вдоль направления щелей решётки и действия силы притяжения Земли) показало распределение их по скоростям. От скорости же молекулы (а также от её массы), как известно, зависит длина её волны де Бройля, представляющей эту частицу.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Thomas Juffmann, Adriana Milic, Michael Müllneritsch, Peter Asenbaum, Alexander Tsukernik, Jens Tüxen, Marcel Mayor, Ori Cheshnovsky & Markus Arndt Real-time single-molecule imaging of quantum interference. – Nature Nanotechnology. – 2012. – doi:10.1038/nnano.2012.34; Published online 25 March 2012.