La physique quantique nous dit que même les particules massives peuvent se comporter comme des ondes, comme s'ils pouvaient être à plusieurs endroits à la fois. Ce phénomène est typiquement prouvé dans la diffraction d'une onde de matière à un réseau. Dans une collaboration européenne, les chercheurs ont poussé cette idée à l'extrême et ont observé la délocalisation des molécules au réseau le plus fin possible, un masque broyé en une seule couche d'atomes. Les expériences présentées explorent les limites techniques des technologies des ondes de matière et répondent à une célèbre expérience Gedanken d'Einstein et Bohr il y a près de 80 ans. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Nanotechnologie .

La nature ondulatoire de la matière quantique est à la base d'un certain nombre de technologies modernes telles que la microscopie électronique à haute résolution, études neutroniques sur des matériaux à l'état solide ou des capteurs inertiels très sensibles travaillant avec des atomes. Les recherches du groupe autour du professeur Markus Arndt à l'Université de Vienne se concentrent sur la façon dont on peut étendre ces technologies aux grosses molécules et aux clusters.

Afin de démontrer la nature mécanique quantique d'un objet massif, il doit d'abord être délocalisé. Ceci est obtenu grâce à la relation d'incertitude de Heisenberg :si des molécules sont émises à partir d'une source ponctuelle, ils commencent à « oublier » leur position au bout d'un moment et se délocalisent. Si vous placez une grille sur leur chemin, ils ne peuvent pas savoir, même pas en principe, par quelle fente ils volent. C'est comme s'ils traversaient plusieurs fentes à la fois. Il en résulte une répartition caractéristique des particules derrière la grille, connu sous le nom de diagramme de diffraction ou d'interférence. Elle ne peut être comprise que si l'on tient compte de la nature ondulatoire de la mécanique quantique des particules.

A la limite technologique

Dans une collaboration européenne (NANOQUESTFIT) avec des partenaires autour du professeur Ori Cheshnovsky de l'Université de Tel Aviv (où tous les nanomasques ont été écrits), ainsi qu'avec le soutien de groupes à Iéna (croissance de membranes biphényliques, Pr Turchanin), et Vienne (microscopie électronique à haute résolution, Prof. Meyer), ils ont maintenant démontré pour la première fois que de tels réseaux peuvent être fabriqués même à partir des membranes les plus minces imaginables. Ils ont broyé des masques de transmission en membranes ultra-minces de nitrure de silicium, molécules de biphényle ou de carbone avec un faisceau d'ions focalisé et les a analysées par microscopie électronique à ultra-haute résolution. L'équipe a réussi à fabriquer des réseaux stables et suffisamment grands, même dans du graphène monocouche atomiquement mince.

Dans les expériences quantiques précédentes de la même collaboration de l'UE, l'épaisseur des masques de diffraction était déjà aussi mince qu'un centième du diamètre d'un cheveu. Cependant, même de telles structures étaient encore trop épaisses pour la diffraction de molécules composées de dizaines d'atomes. La même force qui permet aux geckos de grimper aux murs restreint l'applicabilité des réseaux de matériaux dans les expériences de diffraction quantique :les molécules sont attirées par les barres du réseau comme les orteils des geckos vers le mur. Cependant, une fois qu'ils adhèrent à la surface, ils sont perdus pour l'expérience. Un grand défi était de réduire l'épaisseur de matériau et donc les interactions attractives de ces masques jusqu'à la limite ultime tout en conservant une structure mécaniquement stable.

"Ce sont les masques de diffraction les plus fins possibles pour l'optique à ondes de matière. Et ils font très bien leur travail", dit Christian Brand, l'auteur principal de cette publication. « Vu l'épaisseur des grilles d'un millionième de millimètre, le temps d'interaction entre le masque et la molécule est environ un billion de fois plus court qu'une seconde. Nous voyons que cela est compatible avec les interférences quantiques à fort contraste".

Une expérience de pensée de Bohr et Einstein

Les barres des nanogrilles ressemblent aux cordes d'une harpe miniature. On peut donc se demander si les molécules induisent des vibrations dans ces cordes lorsqu'elles sont déviées vers la gauche ou vers la droite lors de la diffraction quantique. Si tel était le cas, les barres du réseau pourraient révéler le chemin moléculaire à travers le réseau et les interférences quantiques devraient être détruites. L'expérience réalise ainsi une expérience de pensée qui a été discutée par Nils Bohr et Albert Einstein il y a déjà des décennies :ils ont demandé s'il est possible de connaître le chemin qu'emprunte un quantum à travers une double fente tout en observant sa nature ondulatoire. La solution à cette énigme est à nouveau fournie par le principe d'incertitude de Heisenberg :bien que les molécules donnent un petit coup de fouet au réseau dans le processus de diffraction, ce recul reste toujours plus petit que l'incertitude quantique du moment du réseau lui-même. Il reste donc indétectable. Ici, il est montré que cela s'applique même aux membranes qui n'ont qu'un atome d'épaisseur.