La physique quantique des particules massives intrigue les physiciens depuis plus de 80 ans, car il prédit que même des particules complexes peuvent présenter un comportement ondulatoire - en conflit avec nos idées quotidiennes de ce qui est réel ou local. Une équipe internationale de scientifiques a maintenant réussi à tourner un film qui montre l'accumulation d'un modèle d'interférence d'onde de matière à partir de molécules de colorant uniques qui est si grande (jusqu'à 0,1 mm) que vous pouvez facilement le voir avec un appareil photo.

Cela visualise les dualités de la particule et de l'onde, l'aléatoire et le déterminisme, localité et délocalisation de manière particulièrement intuitive. Voir c'est croire :le film de Thomas Juffmann et al. sera publié le 25 mars dans Nature Nanotechnologie .

Une première quantique avec des molécules de colorant comme acteurs principaux

Le physicien Richard Feynman a affirmé un jour que les effets d'interférence causés par les ondes de matière contiennent le seul mystère de la physique quantique. Comprendre et appliquer les ondes de matière aux nouvelles technologies est également au cœur des recherches menées par l'équipe Quantum Nanophysics autour de Markus Arndt à l'Université de Vienne et au Vienna Center for Quantum Science and Technology.

Les scientifiques ont maintenant présenté en avant-première un film qui montre l'accumulation d'un motif d'interférence quantique à partir de particules de phtalocyanine uniques arrivant de manière stochastique après que ces molécules de colorant hautement fluorescentes ont traversé un nanoréseau ultra-mince. Dès que les molécules arrivent à l'écran, les chercheurs prennent des images en direct à l'aide d'un microscope à fluorescence à résolution spatiale dont la sensibilité est si élevée que chaque molécule peut être imagée et localisée individuellement avec une précision d'environ 10 nanomètres. C'est moins d'un millième du diamètre d'un cheveu humain et encore moins de 1/60 de la longueur d'onde de la lumière d'imagerie.

Un souffle de rien

Dans ces expériences, les forces de van der Waals entre les molécules et les réseaux posent un défi particulier. Ces forces sont dues aux fluctuations quantiques et affectent fortement le modèle d'interférence observé. Afin de réduire l'interaction de van der Waals, les scientifiques ont utilisé des réseaux aussi fins que 10 nanomètres (seulement environ 50 couches de nitrure de silicium). Ces réseaux ultra-minces ont été fabriqués par l'équipe de nanotechnologie autour d'Ori Cheshnovski à l'Université de Tel Aviv qui a utilisé un faisceau d'ions focalisé pour découper les fentes requises dans une membrane autonome.

Nanoparticules sur mesure

Déjà dans cette étude, les expériences pourraient être étendues aux dérivés plus lourds de la phtalocyanine qui ont été conçus sur mesure par Marcel Mayor et son groupe à l'Université de Bâle. Ils représentent les molécules les plus massives en diffraction quantique en champ lointain à ce jour.

Motivation et continuation

Les micro et nanotechnologies nouvellement développées et combinées pour générer, la diffraction et la détection des faisceaux moléculaires seront importantes pour étendre les expériences d'interférence quantique à des molécules de plus en plus complexes mais aussi pour l'interférométrie atomique.

Les expériences ont une composante fortement didactique :elles révèlent le caractère monoparticulaire de motifs de diffraction quantique complexes à une échelle macroscopique visible à l'œil nu. Vous pouvez les voir émerger en temps réel et ils durent des heures à l'écran. Les expériences rendent ainsi la dualité onde-particule de la physique quantique particulièrement tangible et remarquable.

Les expériences ont un côté pratique, trop. Ils permettent d'accéder à des propriétés moléculaires proches des interfaces solides et ouvrent la voie à de futures études de diffraction sur des membranes atomiquement minces.