Вчені з Віденського університету провели гарний експеримент з дифракцією і інтерференцією молекул фталоцианина

Досвід з проходженням великих молекул крізь щілини порівнянного з ними масштабу не тільки ефектно продемонстрував корпускулярно-хвильовий дуалізм речовини, але і представив новий спосіб вивчення складних сполук та їх поведінки на кордоні класичної і квантової фізики.


Інтерференційні картини двох видів важких (до 114 атомів) молекул наочно показують, що навіть такі великі об’єкти зберігають свою хвильову природу в повній відповідності з уявленнями квантової механіки (фото University of Vienna, Thomas Juffmann et al./Nature Nanotechnology).

Вчені з Віденського університету провели гарний експеримент з дифракцією і інтерференцією молекул фталоцианина і його похідних (врізки d і e на малюнку нижче), що важать до 1298 атомних одиниць маси.

Як і в схожому попередньому досвіді, головною метою було прояв квантової природи молекул. Причому на чільне місце було поставлено наочність.

Фталоціанін і його варіації використовувалися саме тому, що це — флуоресцентні барвники, поодинокі молекули яких можна ефективно знімати на відео за допомогою мікроскопа з камерою, попутно визначаючи їх положення з точністю 10 нм.

 


Основні частини дослідної установки. Пояснення в тексті (ілюстрація University of Vienna, Thomas Juffmann et al./Nature Nanotechnology).

Пучок летять один за одним молекул у вакуумовану трубі створювався за допомогою випаровування з поверхні скла (W1 на малюнку вгорі) дуже тонкого шару барвника, «ніжно» нагрівається слабким (50 мВт) променем лазера з довжиною хвилі 445 нм (синій колір).

Оригінальна техніка вимірювання площі барвника на склі дозволила переконатися, що з поверхні зразка вилітали один за одним саме одиничні молекули, а не їх конгломерати.

Далі ці мандрівники пролітали крізь коллиматорную щілину (S), а слідом за нею — дифракційну решітку (G) з нітриду кремнію. Її товщина становить усього 10 нм, крок решітки – 100 нм, ширина розрізів – 50 нм.

Ця сітка була створена спеціально для даного досвіду в університеті Тель-Авіва (Tel Aviv University). Її мала товщина дозволила звести до мінімуму шкідливий вплив сил Ван-дер-Ваальса, що виникають між молекулами решітки і пролітають крізь щілини молекулами барвника. А така взаємодія могло спотворити інтерференційну картину.

Після решітки молекули потрапляли на поверхню другого (фінішного) кварцового вікна (W2), де їх порушував інший лазер (661 нм, червоний), що направляється на пластину під кутом так, щоб не засвічувати камеру.

Флуоресценція фталоцианина знімалася через об’єктив мікроскопа і фільтр за допомогою світлочутливої матриці з електронним множенням (EMCCD), здатної ловити поодинокі фотони.

 


Кілька кадрів з фільму з фталоцианином, зроблених на початку досвіду (a) і через дві хвилини (b), 20 хв (c), 40 хв (d), 90 хв (e). g – напрям сили тяжіння. Масштабні лінійки — 20 мкм. Кольорова шкала відображає кількість спійманих фотонів (від нуля до 650) (фото University of Vienna, Thomas Juffmann et al./Nature Nanotechnology).

Таким витонченим методом європейським вченим вдалося отримати фільм, в якому видно, як з часом (у міру випуску все нових і нових молекул) на фінальній пластині все яскравіше і яскравіше проступає інтерференційна картина, передає EurekAlert. Завдяки дифракції на ультратонкої решітці випадково прибувають на фініш масивні частинки чудово виявляли свою хвильову бік.

Нова установка фіксувала майже 100% частинок, випущених на старті і пройшли через ґрати, розповідають вчені. Були отримані криві, що описують картину інтерференції цих частинок як хвиль. По них можна було обчислити чимало параметрів самих молекул.

При цьому розподіл молекул по вертикалі (вздовж напрямку щілин решітки і дії сили тяжіння Землі) показало розподіл їх за швидкостями. Від швидкості ж молекули (а також від її маси), як відомо, залежить її довжина хвилі де Бройля, що представляє цю частку.

(Деталі досвіду можна знайти в статті в Nature Nanotechnology.)

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *