Физиците намират нов начин да разкрият странната, вълнообразна природа на масивните молекули

Дифракция на Браг, показваща вълнообразен характер на органично багрило. (Бранд и др., Phys Rev Lett, 2020 г.)

Близо век след като експериментите потвърдиха, че атомите, най-малките градивни елементи на материята, имат ефирни, вълнообразни характеристики, физиците току-що намериха нов начин да покажат как молекулите с размер на мамут се вълнуват със същата несигурност.

Изследователи от Университета на Виена и Университета на Дуисбург-Есен, Германия, направиха ново завъртане на класически експеримент за създаване на вълнообразни дифракционни модели в два вида органични химикали.

Това е голяма работа не само защото още веднъж демонстрира странната двойственост на частиците, които изграждат нашия свят, но може да помогне за подобряване на методите за важни материали за изображения.

Казано просто, изследователите са използвали лазер, за да създадат мъгла от отделни молекули, съставени от около 40 до 60 атома: в един случай те са използвали антибиотика ципрофлоксацин; а в друга органичното багрило фталоцианин.

Всяка мъгла беше прекарана през серия от тесни отвори и след това втори лазер, преди да се разпръсне върху екрана.

Осветена с ултравиолетова светлина, мъглата, която премина през нея, разкри издайническия модел на вълни, които се намесват в себе си по време на полет.

Но как физическата материя може да действа като вълни? Когато мислим за нещата в човешки мащаб като кучета и котки, ябълкови пайове и топки за тенис, е трудно да се обясни как обикновените частици изведнъж започват да действат като „вълни“ от звук или светлина.

И не само ние – измислянето на сравнения предизвика и най-добрите умове във физиката.

В ранните дни на атомиката се приемаше, че светлината е като вълничка по водната повърхност. Това беше ясно, защото когато светлинен лъч е блокиран, неговите свойства изглежда се изпъкват около ръба на препятствието. Или, с по-прости думи, може да изглежда, че се изкривява и „дифрагира“ около ъглите, като вълни, огъващи се около тръстика, излизаща от езеро.

Важно е, че вълните също могат да се изграждат или изваждат една от друга, когато се припокриват, пречейки на техния модел по предвидими начини. Светлината, случва се, прави и това.

Смята се, че материята – като отрицателните и положителните заряди, съставляващи основните градивни елементи на природата – е по-скоро като малки пясъчни зърна на плажа. Съберете ги заедно и те просто образуват могила.

В началото на 20-ти век става ясно, че цялата история има нещо повече.

Айнщайн ще спечели Нобеловите си награди за експерименти, които разкриха светлината не само се държи като вълна, но също така доставя енергия в отделни зърнести единици.

Няколко десетилетия по-късно млад френски принц на име Луи дьо Бройл взе лист от книгата на Айнщайн, като предложи дали гранулираният електроните също бяха вълнообразни , това може да обясни тяхната странна орбитална природа около атомите.

Лудата идея на де Бройл също не беше просто вафла. През 1927 г. експеримент на физика Джордж Томсън показа, че електроните могат да се дифрактират през тесни отвори, за да създадат интерферентни модели точно като всяка друга вълна.

Оттогава доказателствата в подкрепа на тази странна двойственост на светлината и материята се натрупват до небето. Тук не говорим само за дъги и електрони; самите основи на физиката са описани с помощта на математиката както на вълните, така и на частиците.

Тези треперещи електрони се комбинират с трептящи протони и треперещи неутрони, всички блещукащи през реалността на вълни от объркване, никога не са напълно сигурни в съдбата или личността си, докато не бъдат принудени да го направят.

Докато тези частици се свързват заедно, за да образуват атоми, а атомите се съединяват, за да образуват молекули, а молекулите се комбинират в ябълкови пайове и топки за тенис (и дори хора като теб и мен), тези вълни се сливат в по-неясни, по-трудно забележими форми.

Но те все още са там, ако знаете как да ги търсите. Точно както показва този експеримент.

Що се отнася до самия размер, това конкретно проучване не е рекордьор. Изследователите разкриха вълнообразната природа на молекула на джагернаут, съставена от 810 атома преди малко повече от седем години .

Всъщност фталоцианинът е уловенпод формата на вълна през 2017 г, използвайки малко по-различна настройка от тази.

Разликата този път беше в как екипът пречупи вълните , замествайки в известния оригинален експеримент на Томсън процес на дифракция, основан на Законите на Брег вместо по-традиционната дифракция на Раман-Нат.

За повечето от нас тази фина промяна няма да означава голяма подробност. Но изследователите биха могли да използват тази нова техника, за да създадат диагностични инструменти, които ни дават нови начини за изследване на по-голямо разнообразие от свойства на частиците.

„Възможността за селективно адресиране на ръцете в такава настройка би позволила на свой ред нови схеми за намеса, използващи хиралността, конформацията и евентуално молекулите заплитане между вътрешните и външните степени на свобода на молекулите“, изследователите заключават в доклада си .

Вникването във всички тези квантови черти може да ни даде представа за начинитеатомите се сглобяват, което ни помага по-добре да предвидим процесите за производство на нови материали.

Може дори да ни каже няколко нови неща за природата на самите вълни и частици, като най-накрая ни позволи да примирим несмесимите половини на реалността веднъж завинаги.

Това изследване е публикувано в Писма за физически преглед .

За Нас

Публикуването На Независими, Доказани Факти От Доклади За Здравето, Пространството, Природата, Технологиите И Околната Среда.