Fyzici našli nový spôsob, ako odhaliť zvláštnu vlnovú povahu masívnych molekúl

Braggova difrakcia ukazuje vlnovú povahu organického farbiva. (Brand a kol., Phys Rev Lett, 2020)

Takmer storočie po tom, čo experimenty potvrdili, že atómy, najmenšie stavebné kamene hmoty, majú éterické vlastnosti podobné vlnám, fyzici práve našli nový spôsob, ako ukázať, ako sa molekuly veľkosti mamuta vlnia s rovnakou neistotou.

Výskumníci z Viedenskej univerzity a Univerzity Duisburg-Essen v Nemecku dali nový smer klasickému experimentu na vytvorenie vlnových difrakčných vzorov v dvoch druhoch organických chemikálií.

Je to veľká vec nielen preto, že to opäť demonštruje zvláštnu dualitu častíc, ktoré tvoria náš svet, ale mohlo by to pomôcť zlepšiť metódy pre dôležité zobrazovacie materiály.



Zjednodušene povedané, vedci použili laser na vytvorenie hmly jednotlivých molekúl zložených z približne 40 až 60 atómov: v jednom prípade použili antibiotikum ciprofloxacín; a v ďalšom organické farbivo ftalocyanín.

Každá hmla prešla sériou úzkych otvorov a potom druhým laserom a potom striekala na obrazovku.

Hmla, osvetlená UV svetlom, odhalila vzor vĺn, ktoré sa počas letu rušili.

Ale ako môže fyzická hmota pôsobiť ako vlny? Keď premýšľame o veciach v ľudskom meradle psov a mačiek, jablkových koláčov a tenisových loptičiek, je ťažké vysvetliť, ako obyčajné častice zrazu začnú pôsobiť ako „vlny“ zvuku alebo svetla.

A nie je to len u nás – vymýšľanie porovnávaní spochybnilo aj tie najlepšie mysle vo fyzike.

V počiatkoch atómovej energetiky sa uznávalo, že svetlo je ako vlnenie na vodnej hladine. Bolo to jasné, pretože keď je lúč svetla zablokovaný, zdá sa, že jeho vlastnosti vyčnievajú okolo okraja prekážky. Alebo, jednoduchšie povedané, môže sa zdať, že sa krúti a 'difraktuje' okolo rohov, ako vlny ohýbajúce sa okolo tŕstia vynárajúceho sa z jazierka.

Dôležité je, že vlny sa môžu tiež vytvárať alebo uberať jedna od druhej, keď sa prekrývajú, čím zasahujú do ich vzoru predvídateľným spôsobom. Svetlo to robí tiež.

Hmota – ako sú záporné a kladné náboje tvoriace základné stavebné kamene prírody – sa považovala skôr za drobné zrnká piesku na pláži. Poskladajte ich dokopy a vytvoria len kopu.

Začiatkom 20. storočia začínalo byť jasné, že v celom príbehu je viac.

Einstein by si zaslúžil Nobelovu cenu pre experimenty, ktoré odhalili svetlo sa nielen chová ako vlna, ale tiež dodáva energiu v diskrétnych jednotkách podobných zrnu.

O pár desaťročí neskôr sa volal mladý francúzsky princ Louis de Broglie vzal list z Einsteinovej knihy tým, že navrhol, či zrnitý elektróny boli tiež vlnové , mohlo by to vysvetliť ich zvláštnu orbitálnu povahu okolo atómov.

De Broglieho bláznivý nápad nebol len vafle. V roku 1927 experiment fyzika Georgea Thomsona ukázal, že elektróny sa môžu difraktovať cez úzke otvory a vytvárať interferenčné obrazce rovnako ako akékoľvek iné vlny.

Odvtedy sa dôkazy na podporu tejto podivnej duality svetla a hmoty hromadili do neba. Nehovoríme tu len o dúhe a elektrónoch; samotné základy fyziky sú opísané pomocou matematiky vĺn aj častíc.

Tie chvejúce sa elektróny sa kombinujú s kolísajúcimi protónmi a chvejúcimi sa neutrónmi, všetky prelietavajú realitou na vlnách zmätku, pričom si nikdy nie sú celkom istí svojim osudom alebo osobnosťou, kým nie sú do jedného donútení.

Keď sa tieto častice spájajú, aby vytvorili atómy a atómy sa spojili, aby vytvorili molekuly a molekuly sa spojili do jablkových koláčov a tenisových loptičiek (a dokonca aj ľudia ako vy a ja), tieto vlny sa spájajú do nejasnejších, menej ľahko viditeľných foriem.

Ale stále sú tam, ak viete, ako sa pozerať. Presne ako ukazuje tento experiment.

Čo sa týka samotnej veľkosti, táto konkrétna štúdia nie je žiadnym rekordérom. Výskumníci odhalili vlnovú povahu molekuly juggernauta zloženej z 810 atómov len pred viac ako siedmimi rokmi .

V skutočnosti bol zachytený ftalocyanínvo forme vlny ešte v roku 2017pomocou trochu iného nastavenia ako toto.

Rozdiel bol tentoraz v ako tým ohýbal vlny , ktorý do Thomsonovho slávneho pôvodného experimentu nahrádza difrakčný proces založený na Braggove zákony namiesto tradičnejšej Raman-Nathovej difrakcie.

Pre väčšinu z nás nebude táto jemná zmena znamenať veľký detail. Výskumníci by však mohli použiť túto novú techniku ​​na vytvorenie diagnostických nástrojov, ktoré nám poskytnú nové spôsoby skúmania širšej škály vlastností častíc.

„Možnosť selektívne adresovať ramená v takomto nastavení by zase umožnila nové interferenčné schémy využívajúce chiralitu, konformáciu a prípadne konformáciu molekúl. zapletenie medzi vnútorným a vonkajším stupňom voľnosti molekúl,“ vedci uzatvárajú vo svojej správe .

Pohľad do všetkých týchto kvantových vlastností by nám mohol poskytnúť prehľad o spôsobochatómy do seba zapadajú, čo nám pomáha lepšie predpovedať procesy výroby nových materiálov.

Môže nám dokonca povedať niekoľko nových vecí o povahe vĺn a samotných častíc, čo nám konečne umožní raz a navždy zosúladiť nemiešateľné polovice reality.

Tento výskum bol publikovaný v r Fyzické prehľadové listy .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.