В 1999 году группой Антона Цайлингера работавшей в Венском университете была обнаружена дифракционная картина потока молекул фуллерена, а в 2003 году ещё дифракционная картина потока фторфуллерена и тетрафенилпорфирина. Для получения дифракционной картины, в экспериментах группы Антона Цайлингера использовался интерферометр, состоящий из трех одинаковых золотых решеток с периодом 991 нм расположенных последовательно, одна за другой. В экспериментах отслеживались траектории молекул с целью определить щель, через которую они проходили.
Молекулы фуллеренов, являются замкнутыми многогранниками, составленными из 60, 70, 78, 84 или 90 атомов углерода. Фуллерены могут быть видны в микроскоп, радиус их шарика-молекулы около 1 нанометра, то есть одна миллиардная часть метра, 10(-9) метра. Масса от 10(-24) до 1,8*10(-24) кг.
Авторы исследования для объяснения интерференции и дифракции фуллеренов полагали, что фуллерены двигавшиеся со скоростью около 1000 м в секунду интерферировали как волны по де Бройлю. У фуллеренов двигавшиеся со скоростью более 1000 м в секунду интерференция не выявлялась. Но, так, как фуллерены это макрообъекты, они явно всегда оставались материальными телами, никогда не становясь волнами. Длина волны де Бройля для фуллеренов C70 использовавшихся в экспериментах группы Антона Цайлингера, вычисленная по формуле L=h/(mv), получается 5*10(-13), это 1/500 их радиуса. Эта длина волны находится дальше области самого жесткого гамма-излучения. Реально ли превращение в такой волновой процесс макрообъекта такой массы и размера как фуллерены. А если из фуллеренов сделать пулю и выстрелить её из пистолета как раз со скоростью 1 км/сек, что, вместо пули будет лететь кучка волн? А если разогнать их до первой космической скорости, какая длинна волны у них будет? А то, что они вместе с Землей участвуют в её движении в космосе со скоростями 30 км/сек по её орбите и 300 км/сек в Галактике, форму какой волны это им придает?
Возможно, колебания размеров сферы фуллерена на тысячную часть их диаметра, за счет периодического изменения расстояний между составляющими их атомами углерода так определяет процесс столкновений данных микрочастиц в движущемся потоке, что это даёт их дифракцию и интерференцию.
Та же группа Цайлингера из Венского университета провела эксперимент с дифракцией и интерференцией двух видов тяжёлых (до 114 атомов) молекул фталоцианина и его производных, весящих до 1298 атомных единиц массы.
Как и в опыте с фуллеренами, главной целью было проявление квантовой природы молекул. Но 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.
Основные части опытной установки. Пояснения в тексте (иллюстрация University of Vienna, Thomas Juffmann et al./Nature Nanotechnology).
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 они 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 (Tel Aviv University). Её малая толщина позволила свести к минимуму вредное влияние сил Ван-дер-Ваальса, возникающих между молекулами решётки и пролетающими сквозь щели молекулами красителя. А такое взаимодействие могло исказить интерференционную картину.
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.
Благодаря дифракции на ультратонкой решётке случайно прибывающие на финиш массивные частицы великолепно проявляли свою волновую сторону.
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.
фото University of Vienna, Thomas Juffmann et al./Nature Nanotechnology
Детали опыта можно найти в статье вNature Nanotechnology.