Riesenmoleküle können an zwei Orten gleichzeitig sein, dank der Quantenphysik.
Das ist etwas, von dem Wissenschaftler seit langem wissen, dass es theoretisch wahr ist, basierend auf ein paar Fakten: Jedes Teilchen oder jede Gruppe von Teilchen im Universum ist auch eine Welle — sogar große Teilchen, sogar Bakterien, sogar Menschen, sogar Planeten und Sterne. Und Wellen besetzen mehrere Orte gleichzeitig im Raum. Jedes Stück Materie kann also auch zwei Stellen gleichzeitig einnehmen. Physiker nennen dieses Phänomen „Quantenüberlagerung“ und zeigen es seit Jahrzehnten mit kleinen Teilchen.
Aber in den letzten Jahren haben Physiker ihre Experimente vergrößert und die Quantenüberlagerung mit immer größeren Teilchen demonstriert. Jetzt, in einem Papier veröffentlicht September. 23 in der Zeitschrift Nature Physics hat ein internationales Forscherteam Moleküle aus bis zu 2.000 Atomen dazu gebracht, zwei Stellen gleichzeitig zu besetzen.
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Um dies zu erreichen, bauten die Forscher eine komplizierte, modernisierte Version einer Reihe berühmter alter Experimente, die erstmals die Quantenüberlagerung demonstrierten.
Forscher hatten lange gewusst, dass Licht, das durch ein Blatt mit zwei Schlitzen abgefeuert wurde, ein Interferenzmuster oder eine Reihe von hellen und dunklen Fransen an der Wand hinter dem Blatt erzeugen würde. Aber Licht wurde als eine masselose Welle verstanden, nicht als etwas aus Teilchen, also war das nicht überraschend. In einer Reihe berühmter Experimente in den 1920er Jahren zeigten Physiker jedoch, dass sich Elektronen, die durch dünne Filme oder Kristalle abgefeuert wurden, ähnlich verhalten und Muster bilden wie Licht an der Wand hinter dem beugenden Material.
Wenn Elektronen einfach Teilchen wären und somit jeweils nur einen Punkt im Raum einnehmen könnten, würden sie zwei Streifen bilden, ungefähr die Form der Schlitze, an der Wand hinter dem Film oder Kristall. Stattdessen trafen die Elektronen diese Wand in komplexen Mustern, was darauf hindeutet, dass die Elektronen sich selbst gestört hatten . Das ist ein verräterisches Zeichen einer Welle; an einigen Stellen fallen die Spitzen der Wellen zusammen und erzeugen hellere Regionen, während an anderen Stellen die Spitzen mit Tälern zusammenfallen, so dass sich die beiden aufheben und eine dunkle Region erzeugen. Da Physiker bereits wussten, dass Elektronen Masse haben und definitiv Teilchen sind, zeigte das Experiment, dass Materie sowohl als einzelne Teilchen als auch als Wellen wirkt.
Aber es ist eine Sache, ein Interferenzmuster mit Elektronen zu erzeugen. Es mit riesigen Molekülen zu machen, ist viel schwieriger. Größere Moleküle haben weniger leicht zu detektierende Wellen, da massereichere Objekte kürzere Wellenlängen haben, die zu kaum wahrnehmbaren Interferenzmustern führen können. Und diese 2.000-Atom-Teilchen haben Wellenlängen, die kleiner sind als der Durchmesser eines einzelnen Wasserstoffatoms, so dass ihr Interferenzmuster viel weniger dramatisch ist.
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Um das Doppelspaltexperiment für große Dinge durchzuführen, bauten die Forscher eine Maschine, die einen Strahl von Molekülen (riesige Dinge namens „Oligo-Tetraphenylporphyrine angereichert mit Fluoralkylsulfanylketten“, einige mehr als 25.000 mal die Masse eines einfachen Wasserstoffatoms) durch eine Reihe von Rosten und Platten mit mehreren Schlitzen abfeuern konnte. Der Strahl war ungefähr 6,5 Fuß (2 Meter) lang. Das ist groß genug, dass die Forscher Faktoren wie die Schwerkraft und die Rotation der Erde bei der Gestaltung des Strahlemitters berücksichtigen mussten, schrieben die Wissenschaftler in dem Papier. Sie hielten die Moleküle auch für ein quantenphysikalisches Experiment ziemlich warm, so dass sie die Hitze berücksichtigen mussten, die die Teilchen drängte.
Doch als die Forscher die Maschine einschalteten, zeigten die Detektoren am anderen Ende des Strahls ein Interferenzmuster. Die Moleküle besetzten mehrere Punkte im Raum gleichzeitig.
Es ist ein aufregendes Ergebnis, schrieben die Forscher und bewiesen Quanteninterferenz in größeren Maßstäben als jemals zuvor entdeckt worden war.
„Die nächste Generation von Materiewellenexperimenten wird die Masse um eine Größenordnung drücken“, schrieben die Autoren.
Es kommen also noch größere Demonstrationen von Quanteninterferenz, obwohl es wahrscheinlich nicht möglich sein wird, sich in absehbarer Zeit durch ein Interferometer zu feuern. (Zuallererst würde das Vakuum in der Maschine Sie wahrscheinlich töten.) Wir riesigen Wesen müssen nur an einem Ort sitzen und zusehen, wie die Partikel den ganzen Spaß haben.
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Ursprünglich auf Live Science veröffentlicht.
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