Физики отсняли дифракцию больших молекул в реальном времени
Опыт с прохождением крупных молекул сквозь щели сопоставимого с ними масштаба не только эффектно продемонстрировал корпускулярно-волновой дуализм вещества, но и представил новый способ изучения сложных соединений и их поведения на границе классической и квантовой физики.
Учёные из Венского университета
Как и в похожем предыдущем опыте, главной целью было проявление квантовой природы молекул. Причём во главу угла была поставлена наглядность.
Фталоцианин и его вариации использовались именно потому, что это — флуоресцентные красители, единичные молекулы которых можно эффективно снимать на видео при помощи микроскопа с камерой, попутно определяя их положение с точностью 10 нм.
Пучок летящих друг за другом молекул в вакуумированной трубе создавался при помощи испарения с поверхности стекла (W1 на рисунке вверху) очень тонкого слоя красителя, «нежно» нагреваемого слабым (50 мВт) лазерным лучом с длиной волны 445 нм (синий цвет).
Оригинальная техника измерения площади красителя на стекле позволила убедиться, что с поверхности образца вылетали друг за другом именно единичные молекулы, а не их конгломераты.
Далее эти путешественники пролетали сквозь коллиматорную щель (S), а вслед за ней — дифракционную решётку (G) из нитрида кремния. Её толщина составила всего 10 нм, шаг решётки – 100 нм, ширина разрезов – 50 нм.
Эта решётка была создана специально для данного опыта в университете Тель-Авива (
После решётки молекулы попадали на поверхность второго (финишного) кварцевого окна (W2), где их возбуждал другой лазер (661 нм, красный), направляемый на пластину под углом так, чтобы не засвечивать камеру.
Флуоресценция фталоцианина снималась через объектив микроскопа и фильтр при помощи светочувствительной матрицы с электронным умножением (EMCCD), способной ловить единичные фотоны.
Таким изящным методом европейским учёным удалось получить фильм, в котором видно, как со временем (по мере выпуска всё новых и новых молекул) на финальной пластине всё ярче и ярче проступает интерференционная картина,
Новая установка фиксировала почти 100% частиц, выпущенных на старте и прошедших через решётку, рассказывают учёные. Были получены кривые, описывающие картину интерференции этих частиц как волн. По ним можно было вычислить немало параметров самих молекул.
При этом распределение молекул по вертикали (вдоль направления щелей решётки и действия силы притяжения Земли) показало распределение их по скоростям. От скорости же молекулы (а также от её массы), как известно, зависит длина её
(Детали опыта можно найти в