La física cuántica nos dice que incluso las partículas masivas pueden comportarse como ondas, como si pudieran estar en varios lugares a la vez. Este fenómeno se prueba típicamente en la difracción de una onda de materia en una rejilla. En una colaboración europea, Los investigadores llevaron esta idea al extremo y observaron la deslocalización de moléculas en la red más delgada posible, una máscara molida en una sola capa de átomos. Los experimentos presentados exploran los límites técnicos de las tecnologías de ondas de materia y responden a un famoso experimento de Gedanken de Einstein y Bohr de hace casi 80 años. Los resultados se publican en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

La naturaleza ondulatoria de la mecánica cuántica de la materia es la base de una serie de tecnologías modernas como la microscopía electrónica de alta resolución, estudios basados ​​en neutrones en materiales de estado sólido o sensores inerciales altamente sensibles que trabajan con átomos. La investigación en el grupo en torno al profesor Markus Arndt de la Universidad de Viena se centra en cómo se pueden extender estas tecnologías a grandes moléculas y grupos.

Para demostrar la naturaleza mecánica cuántica de un objeto masivo, primero debe deslocalizarse. Esto se logra en virtud de la relación de incertidumbre de Heisenberg:si las moléculas se emiten desde una fuente puntual, comienzan a "olvidar" su posición después de un tiempo y se deslocalizan. Si coloca una rejilla en su camino, ellos no pueden saber, ni siquiera en principio, a través de qué hendidura están volando. Es como si hubieran atravesado varias rendijas al mismo tiempo. Esto da como resultado una distribución característica de partículas detrás de la rejilla, conocido como patrón de difracción o interferencia. Solo se puede entender si tenemos en cuenta la naturaleza ondulatoria de la mecánica cuántica de las partículas.

En el límite tecnológico

En una colaboración europea (NANOQUESTFIT) junto con socios en torno al profesor Ori Cheshnovsky en la Universidad de Tel Aviv (donde se escribieron todas las nanomáscaras), así como con el apoyo de grupos en Jena (crecimiento de membranas de bifenilo, Prof. Turchanin), y Viena (microscopía electrónica de alta resolución, Prof. Meyer) ahora demostraron por primera vez que tales rejillas se pueden fabricar incluso a partir de las membranas más delgadas imaginables. Molieron máscaras de transmisión en membranas ultrafinas de nitruro de silicio, moléculas de bifenilo o carbono con un haz de iones enfocado y analizarlas con microscopía electrónica de ultra alta resolución. El equipo logró fabricar rejillas estables y suficientemente grandes incluso en grafeno de capa única atómicamente delgado.

En experimentos cuánticos anteriores de la misma colaboración de la UE, el grosor de las máscaras de difracción ya era tan delgado como una centésima parte del diámetro de un cabello. Sin embargo, incluso esas estructuras eran demasiado gruesas para la difracción de moléculas compuestas por decenas de átomos. La misma fuerza que permite a los geckos trepar por las paredes restringe la aplicabilidad de las rejillas de material en los experimentos de difracción cuántica:las moléculas son atraídas por las barras de rejilla como los dedos de los geckos por la pared. Sin embargo, una vez que se adhieren a la superficie, se pierden en el experimento. Un gran desafío fue reducir el grosor del material y, por lo tanto, las interacciones atractivas de estas máscaras hasta el límite máximo, manteniendo una estructura mecánicamente estable.

"Estas son las máscaras de difracción más delgadas posibles para la óptica de ondas de materia. Y hacen muy bien su trabajo", dice Christian Brand, el autor principal de esta publicación. "Dado el grosor de la rejilla de una millonésima de milímetro, el tiempo de interacción entre la máscara y la molécula es aproximadamente un billón de veces más corto que un segundo. Vemos que esto es compatible con la interferencia cuántica de alto contraste ".

Un experimento mental de Bohr y Einstein

Las barras de las nanorejillas parecen las cuerdas de un arpa en miniatura. Por tanto, cabe preguntarse si las moléculas inducen vibraciones en estas cuerdas cuando se desvían hacia la izquierda o hacia la derecha durante la difracción cuántica. Si este fuera el caso, las barras de rejilla podrían revelar el camino molecular a través de la rejilla y la interferencia cuántica debería destruirse. El experimento así da cuenta de un experimento mental que fue discutido por Nils Bohr y Albert Einstein ya hace décadas:se preguntaron si es posible conocer el camino que toma un cuanto a través de una doble rendija mientras se observa su naturaleza ondulatoria. La solución a este enigma la proporciona de nuevo el principio de incertidumbre de Heisenberg:aunque las moléculas dan una pequeña patada a la rejilla en el proceso de difracción, este retroceso permanece siempre menor que la incertidumbre del momento de la mecánica cuántica de la propia rejilla. Por tanto, permanece indetectable. Aquí se muestra que esto se aplica incluso a las membranas que tienen solo un átomo de espesor.