Molekylär bläckfisk som liten broder till Schrodingers katt

Registrera i kvantfysik för skräddarsydda organiska makromolekyler

Konstnärlig representation av de mest komplexa och massiva molekylerna (PFNS-10, TPP-152) med vilken kvantinterferens kunde detekteras. © Mathias Tomandl
läsa högt

En ny rekord i upptäckten av kvantfysiska egenskaper hos nanopartiklar har nu uppnåtts av ett internationellt forskargrupp. I sin nya studie i tidskriften Nature Communications kunde forskarna upptäcka kvantbeteenden hos molekyler med mer än 400 atomer för första gången.

Kvantananofysiker från universitetet i Wien, tillsammans med kemister från Schweiz och USA med "molekylär bläckfisk" - baserat på formen på de använda molekylerna - undersöker en viktig aspekt av tankeexperimentet "Schrödingers katt".

"Schrödingers katt": både död och levande?

Vissa förutsägelser om kvantmekanik står i uppenbar motsägelse till vår intuition och observationer i vår vardag. Denna motsägelse summerades av den österrikiska fysikern Erwin Schrödinger för 80 år sedan: han undrade om det var möjligt att realisera till och med extrema överlagrade tillstånd - till exempel en katt som var både död och levande.

Av ett gott skäl testades aldrig detta experiment. En forskargrupp ledd av Markus Arndt, professor i kvantananofysik vid universitetet i Wien, visar nu att det är möjligt att återskapa viktiga aspekter av Schrödingers tankeexperiment med stora organiska molekyler.

Superposition för större och större objekt

Kvantfysik beskriver utbredningen av enstaka massiva partiklar genom materievågor. I praktiken förlorar således partiklarna på ett sätt sin klassiska egenskap att ha en plats - deras kvant-fysiska vågfunktion kan vara samtidigt på flera platser. "Detta tillstånd formellt liknar det för en katt som lever och är död samtidigt. Kvantfysik kallar detta "superposition", säger Arndt. display

Hans team behandlar nu frågan hur komplexa dessa komplexa lagar i kvantfysik kan vara. För detta ändamål använder fysiker en interferometer för att undersöka kvantbeteendet hos allt större molekyler, särskilt deras superposition på många ställen. "Den höga instabiliteten i de flesta organiska komplex utgör en stor utmaning, " säger Stefan Gerlich, första författaren till publikationen.

Designermolekyler löser problemet med instabilitet

Många molekyler bryts jämnt under beredningen av den termiska molekylstrålen. För framgången med de nya experimenten var därför ett nära samarbete med kemister från Schweiz och USA avgörande. Både teamet som leddes av Marcel Mayor vid universitetet i Basel och Paul J. Fagan från den amerikanska gruppen DuPont har lyckats syntetisera tunga molekylföreningar som överlever den kritiska förångningsprocessen.

Liknar insulin

"Med hjälp av speciellt syntetiserade organiska molekyler med komplex med upp till 430 atomer har den kvantmekaniska vågnaturen demonstrerats i ett hittills experimentellt otillgängligt mass- och storleksintervall, " förklarar Arndt. Denna "molekylära bläckfisk" är jämförbar i storlek, massa och komplexitet med insulin och uppträder i många avseenden som "klassiska" partiklar. Ändå kan de skräddarsydda partiklarna i det aktuella experimentet existera i en superposition av tydligt urskiljbara platser. De liknar därför Schr dingers katt i ett tillstånd uteslutet från klassisk fysik, sade forskarna. (Nature Communications, 2011; doi: 10.1038 / ncomms1263)

(Wien-universitetet, 07.04.2011 - DLO)