Bragg-diffraktion, der viser bølgelignende karakter af et organisk farvestof. (Brand et al., Phys Rev Lett, 2020) Næsten et århundrede efter, at eksperimenter bekræftede, at atomer, materiens mindste byggesten, har æteriske, bølgelignende egenskaber, har fysikere netop fundet en ny måde at vise, hvordan mammutstore molekyler bølger med samme usikkerhed.
Forskere fra universitetet i Wien og universitetet i Duisburg-Essen, Tyskland, satte et nyt spin på et klassisk eksperiment for at skabe bølgelignende diffraktionsmønstre i to slags organiske kemikalier.
Dette er en stor sag, ikke kun fordi det endnu en gang demonstrerer den mærkelige dualitet af de partikler, der udgør vores verden, men det kan hjælpe med at forbedre metoder til vigtige billedmaterialer.
Forenklet sagt brugte forskerne en laser til at skabe tåger af individuelle molekyler bestående af omkring 40 til 60 atomer: I et tilfælde brugte de antibiotikummet ciprofloxacin; og i et andet det organiske farvestof phthalocyanin.
Hver tåge blev ført gennem en række smalle åbninger og derefter en anden laser, før den sprøjtede på en skærm.
Oplyst med et UV-lys afslørede tågen, der passerede igennem, det afslørende mønster af bølger, der interfererer med sig selv midt under flyvningen.
Men hvordan kan fysisk stof fungere som bølger? Når vi tænker på ting på en menneskelig skala af hunde og katte og æbletærter og tennisbolde, er det svært at forklare, hvordan almindelige partikler pludselig begynder at virke som 'bølger' af lyd eller lys.
Og det er ikke kun os - at komme med sammenligninger har også udfordret de bedste hjerner inden for fysik.
I atomikkens tidlige dage blev det accepteret, at lys var som en krusning hen over vandoverfladen. Dette var tydeligt, fordi når en lysstråle er blokeret, ser dens egenskaber ud til at rage ud fra kanten af forhindringen. Eller, i enklere vendinger, kan det se ud til at vride sig og 'bøje' rundt om hjørner, som bølger, der bøjer sig omkring siv, der dukker op fra en dam.
Vigtigt er det, at bølger også kan bygge eller trække fra hinanden, når de overlapper hinanden, og forstyrrer deres mønster på forudsigelige måder. Lys, det sker, gør det også.
Stof – såsom de negative og positive ladninger, der udgør naturens grundlæggende byggesten – blev anset for at være mere som små sandkorn ved stranden. Stable dem sammen, og de danner bare en høj.
I begyndelsen af det 20. århundrede stod det klart, at der var mere i hele historien.
Einstein ville tjene sine Nobelstriber for eksperimenter, der afslørede lys opfører sig ikke kun som en bølge, det leverer også energi i diskrete, kornlignende enheder.
Et par årtier senere hed en ung fransk prins Louis de Broglie tog et blad fra Einsteins bog ved at foreslå, om det granulære elektroner var også bølgelignende , kunne det forklare deres mærkelige kredsløbsnatur omkring atomer.
De Broglies skøre idé var heller ikke kun vaffel. I 1927 viste et eksperiment af fysiker George Thomson, at elektroner kan diffraktere gennem smalle åbninger for at skabe interferensmønstre ligesom enhver anden bølge.
Lige siden da har beviserne til støtte for denne mærkelige dualitet i lys og stof hobet sig skyhøje. Vi taler heller ikke kun om regnbuer og elektroner her; selve fysikkens grundlag er beskrevet ved hjælp af matematikken for både bølger og partikler.
Disse dirrende elektroner kombineres med vaklende protoner og skælvende neutroner, der alle svirrer gennem virkeligheden på bølger af forvirring, aldrig helt sikre på deres skæbne eller personlighed, før de er tvunget til en.
Efterhånden som disse partikler forbindes for at danne atomer, og atomer slutter sig til molekyler, og molekyler kombineres til æbletærter og tennisbolde (og endda mennesker som dig og mig), smelter disse bølger sammen til mere dunkle former, der er mindre let plettede.
Men de er der stadig, hvis du ved, hvordan man ser ud. Præcis som dette eksperiment viser.
For så vidt angår størrelsen, er netop denne undersøgelse ingen rekordbryder. Forskere afslørede den bølgelignende natur af et juggernaut-molekyle bestående af 810 atomer for godt syv år siden .
Faktisk blev phthalocyanin fangeti bølgeform tilbage i 2017, ved at bruge en lidt anden opsætning end denne.
Forskellen denne gang var i hvordan holdet afbøjede bølgerne , der erstatter en diffraktionsproces baseret på Thomsons berømte originale eksperiment Braggs love i stedet for den mere traditionelle Raman-Nath diffraktion.
For de fleste af os betyder denne subtile ændring ikke en stor detalje. Men forskere kunne bruge denne nye teknik til at skabe diagnostiske værktøjer, der giver os nye måder at udforske en bredere række af partikelegenskaber på.
'Muligheden for selektivt at adressere armene i et sådant setup ville til gengæld muliggøre nye interferensskemaer, der udnytter molekylernes chiralitet, konformation og evt. sammenfiltring mellem molekylernes indre og ydre frihedsgrader,' forskerne konkludere i deres rapport .
At have indsigt i alle disse kvantetræk kunne give os indsigt i måderneatomer passer sammen, der hjælper os med bedre at forudsige processer til fremstilling af nye materialer.
Det kan endda fortælle os et par nye ting om naturen af bølger og partikler i sig selv, og endelig giver os mulighed for at forene virkelighedens ublandbare halvdele én gang for alle.
Denne forskning blev offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve .