Η διερεύνηση των ορίων του κβαντικού κόσμου
Μέρος 2ο

Άρθρο Ανασκόπησης από τo περιοδικό Physics World, Οκτώβριος 2005

1o, 2ο, 3ο

Τα συμβολόμετρα: όπου υπεισέρχονται τα υλικά κύματα

Τα τελευταία χρόνια, αρκετές ερευνητικές ομάδες έχουν καταφέρει να εκτελέσουν πειράματα συμβολής με "υλικά κύματα" από μεγάλη γκάμα αντικειμένων, τα οποία περιλαμβάνουν από ηλεκτρόνια μέχρι πολύ μεγάλα μόρια όπως τα  buckyballs και ακόμα μεγαλύτερα. Δεν είναι όμως εύκολο να χρησιμοποιήσουμε πειράματα διπλής σχισμής για να μελετήσουμε τη συμβολή τέτοιων σωματιδίων. Το πρόβλημα είναι ότι τα αντικείμενα μεγάλης μάζας, έχουν εξαιρετικά μικρά μήκη κύματος. Οι σχισμές θα έπρεπε λοιπόν να είναι πολύ μικροσκοπικές και οι δέσμες των σωματιδίων πολύ καλά ευθυγραμμισμένες, προκειμένου να επιτύχουμε περίθλαση με τη χρήση διπλής σχισμής ή διαφράγματος.

Παρά τις πειραματικές δυσκολίες, οι Olivier Carnal και Jürgen Mlynek από το πανεπιστήμιο της Konstanz της Γερμανίας, κατάφεραν να παρατηρήσουν συμβολή σε πείραμα διπλής σχισμής με άτομα το 1991. Περίπου την ίδια εποχή, ο David Pritchard και οι συνεργάτες του στο ΜΙΤ έδειξαν ότι μια ευρύτερη κατηγορία πειραμάτων θα μπορούσε να εκτελεστεί με τη χρήση μιας διαφορετικής συσκευής, γνωστής ως "συμβολόμετρο Mach-Zehnder". Στη συσκευή τους, μια δέσμη ατόμων περνάει μέσα από μια διάταξη κατακόρυφων σχισμών, όπου διαχωρίζεται σε τουλάχιστον δύο σύμφωνα μέτωπα κύματος, που απέχουν κατά  17 μm. Και τα δύο μέτωπα κύματος στη συνέχεια, περνάνε από μια δεύτερη πανομοιότυπη διάταξη σχισμών, η οποία τα ξαναενώνει. Η συμβολή δημιουργεί μια περιοδική αύξηση και μείωση στην πυκνότητα των ατόμων, η οποία μετρείται πάνω σε ένα επίπεδο πίσω από το δεύτερο διάφραγμα. Η αυξομείωση αυτή μετρείται με ένα τρίτο διάφραγμα που έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε το κενό μεταξύ των σχισμών να είναι το ίδιο με την αναμενόμενη απόσταση μεταξύ των διαδοχικών κροσσών. Μετακινώντας το διάφραγμα κάθετα προς τη δέσμη, παρατηρείται μια σταθερή αύξηση και μείωση στο ρυθμό των διερχομένων ατόμων.

Με τη χρήση αυτής της συσκευής, η ομάδα του Pritchard δημιούργησε επιτυχώς κροσσούς συμβολής με άτομα Νατρίου - πράγμα που αποτελεί καθαρή απόδειξη της μη τοπικότητας των ατόμων κατά την ελεύθερη πτήση τους. Τι θα συμβεί λοιπόν αν ανιχνεύσουμε ένα μεμονωμένο άτομο καθώς κινείται σε μια από τις δύο επιτρεπόμενες τροχιές πριν να δώσει την συμβολή; η θεωρία μας λέει ότι κάτι τέτοιο θα εξαλείψει τη συμβολή.

Στα 1995 ο Pritchard και οι συνεργάτες του ερεύνησαν αυτό το ζήτημα κατευθύνοντας μια δέσμη λέιζερ προς την δέσμη των ατόμων, καθώς αυτή ταξίδευε μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου διαφράγματος. Όταν τοποθετούσαν το λέιζερ έτσι ώστε η τροχιά της δέσμης των ατόμων, μπορούσε να διευκρινιστεί με την παρατήρηση κάποιου φωτονίου που θα σκεδαζόταν από την δέσμη, ο σχηματισμός των κροσσών συμβολής των ατόμων εξαφανιζόταν πραγματικά - όπως ακριβώς προβλέπει η αρχή συμπληρωματικότητας του Bohr. Αρκεί το μήκος κύματος του φωτονίου να είναι μικρότερο από την διπλάσια απόσταση μεταξύ των διαχωρισμένων μετώπων κύματος, και θα μπορέσει να μεταφέρει αρκετή πληροφορία για την ακριβή τροχιά των ατόμων ώστε να καταστρέψει τους κροσσούς συμβολής.

Καθώς τα αντικείμενα μεγαλώνουν: Μοριακή συμβολομετρία

Τα πειράματα συμβολής υλικών κυμάτων έχουν κάνει άλματα προόδου τα τελευταία χρόνια. Ποια είναι όμως τα πειραματικά, τεχνολογικά και φυσικά όρια του μη εντοπισμού της ύλης; Η μάζα, η θερμοκρασία και η πολυπλοκότητα έχουν άραγε να κάνουν με το αν συμβάλλουν τα υλικά κύματα ή όχι; Τα σωματίδια που είναι γεωμετρικά ασύμμετρα ή έχουν μια μόνιμη ηλεκτρική διπολική ροπή, αλληλεπιδρούν άραγε πιο ισχυρά με το περιβάλλον, κι έτσι γίνονται ασύμφωνα και χάνουν τη δυνατότητα υπέρθεσης πιο γρήγορα; Ερωτήματα σαν αυτά ενέπνευσαν τους συγγραφείς του παρόντος άρθρου για ν' αρχίσουν πειράματα στην μοριακή συμβολομετρία στο πανεπιστήμιο του Innsbruck το 1998. Αυτά συνεχίστηκαν όταν η ομάδα μετακινήθηκε στη Βιέννη το 1999, όπου έχουν και σήμερα τη βάση τους.

In a first, proof-of-principle experiment, we decided to observe the quantum-wave nature of fullerene molecules undergoing grating diffraction. Fullerenes are a class of closed-shell carbon molecules, the most common consisting of 60 carbon atoms arranged like a soccer ball with a diameter of 1 nm. These objects are, in Σε ένα αρχικό πείραμα με σκοπό να επιβεβαιώσει Σε ένα αρχικό πείραμα με σκοπό να επιβεβαιώσουμε την βασική αρχή, αποφασίσαμε να παρατηρήσουμε την κβαντική-κυματική φύση των μορίων του φουλερένιου καθώς πάθαιναν περίθλαση από το διάφραγμα. Τα φουλερένια είναι μια τάξη μορίων άνθρακα που έχουν κλειστούς φλοιούς, το πιο κοινό από τα οποία αποτελείται από 60 άτομα άνθρακα διατεταγμένα σαν μπάλα ποδοσφαίρου με διάμετρο 1nm. Τα αντικείμενα αυτά είναι από πολλές απόψεις κλασσικά σώματα, κυρίως επειδή μπορούν να αποθηκεύσουν μεγάλη ποσότητα εσωτερικής ενέργειας σε πολλούς βαθμούς ελευθερίας. Για παράδειγμα, όταν θερμανθούν στους 3000 K περίπου, τα φουλερένια μπορούν να εκπέμψουν ηλεκτρόνια, φωτόνια, ακόμη και διατομικά μόρια άνθρακα - ακριβώς όπως ένα μικρό κομμάτι πολύ θερμού στερεού υλικού φωτοβολεί εκπέμποντας ακτινοβολία μαύρου σώματος και ψύχεται με εξάτμιση.

Τα πειράματα μοριακής συμβολής δεν είναι καθόλου εύκολα. Χρησιμοποιούμε φουλερένια του εμπορίου τα οποία θερμαίνουμε περίπου στους 900 Κ για να δημιουργήσουμε μια μοριακή δέσμη ικανής έντασης. (Αν τα θερμαίναμε σε υψηλότερη θερμοκρασία για μεγάλους χρόνους αυτά θα αποσυνθέτονταν.) Τα πιο πολλά από τα μόρια κινούνται τότε με ταχύτητες περίπου 200 m s^-1, πράγμα που σημαίνει ότι έχουν ένα μήκος κύματος de Broglie μόλις 2.5 x 10^-12 m - κάπου 400 φορές μικρότερο από το μέγεθος του ίδιου του μορίου. Χρειαζόμαστε συνεπώς εξαιρετικά στενά διαφράγματα ώστε τα μόρια να περάσουν από αυτά με σημαντική γωνία.

Ευτυχώς για μας, ο Tim Savas και οι συνεργάτες του στο MIT κατασκεύασαν διαφράγματα όπου οι σχισμές απέχουν 100 nm. Στα 1999 καταφέραμε επίσης να σχεδιάσουμε ένα πολύ ευαίσθητο ανιχνευτή ο οποίος μπορεί να εντοπίσει τις θέσεις των ξεχωριστών μορίων φουλερενίου. Χρησιμοποιεί μια πολύ καλά εστιασμένη έντονη δέσμη λέιζερ η οποία ιονίζει τα μόρια. Σαρώνοντας την θέση της εστίας του λέιζερ εγκάρσια σε όλο το πλάτος της μοριακής δέσμης, αποκαλύπτονται κροσσοί συμβολής που παρουσιάζουν υψηλή αντίθεση.

Για να επεκτείνουμε αυτά τα πειράματα σε πιο πολύπλοκα και με μεγαλύτερη μάζα σωματίδια, φτιάξαμε μια παραλλαγή της συσκευής Mach-Zehnder γνωστή σαν συμβολόμετρο Talbot-Lau. Αυτό έχει πολλά πλεονεκτήματα. Πρώτον, τα διάφορα διαφράγματα τοποθετούνται πολύ πιο κοντά μεταξύ τους, πράγμα που κάνει το συμβολόμετρο πιο μικρό και πιο γεροφτιαγμένο. Δεύτερον, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια χωρικά ασύμφωνη δέσμη η οποία μπορεί να περιέχει ένα μίγμα από επίπεδα κύματα που προσπίπτουν από διάφορες κατευθύνσεις. Η δέσμη δεν χρειάζεται λοιπόν να είναι επακριβώς ευθυγραμμισμένη, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολύ περισσότερα σωματίδια και ν' αυξήσουμε έτσι την αναλογία σήμα/θόρυβο.

Ένα άλλο μεγάλο πλεονέκτημα του συμβολόμετρου Talbot-Lau έχει να κάνει με το γεγονός ότι το μήκος κύματος de Broglie ενός σωματιδίου, είναι αντιστρόφως ανάλογο με τη μάζα του. Για να ανιχνεύσουμε λοιπόν σωματίδια με μεγαλύτερη μάζα πρέπει να βελτιώσουμε τη διακριτική ικανότητα του ανιχνευτή και να έχουμε σχισμές που είναι πιο κοντά η μια με την άλλη. Για ένα απλό διάφραγμα περίθλασης, αυτό σημαίνει ότι η σταθερά του διαφράγματος, δηλαδή η περιοδικότητα των διαστημάτων μεταξύ των σχισμών, πρέπει να ελαττωθεί κατά τον ίδιο παράγοντα που αυξάνεται η μάζα. Αλλά με τη συμβολομετρία κοντινού πεδίου Talbot-Lau, η σταθερά του διαφράγματος πρέπει να μειωθεί μόνο κατά την τετραγωνική ρίζα της μάζας του σωματιδίου, καθώς έδειξε πρώτος ο John Clauser στα μέσα της δεκαετίας του 1990, ο οποίος τότε βρισκόταν στο πανεπιστήμιο Berkeley της Καλιφόρνιας. Η τεχνική αυτή λοιπόν προσφέρει καλή χωρική διακριτική ικανότητα και δουλεύει ακόμη και με πολύ βαριά σωματίδια τα οποία έχουν πολύ μικρό μήκος κύματος de Broglie. Στην πράξη, για την ίδια μοριακή δέσμη, χρειαστήκαμε ένα διάφραγμα με περίοδο 100 nm για πολύ μακρινή περίθλαση και μια περίοδο μόνο 1000 nm για συμβολομετρία κοντινού πεδίου, πράγμα που είναι πολύ πιο εύκολο να κατασκευαστεί και να λειτουργήσει.

Για να αποδείξουμε ότι τα μόρια συμβάλλουν, χρησιμοποιούμε ένα τρίτο διάφραγμα που έχει την ίδια περίοδο όπως ο αναμενόμενος σχηματισμός συμβολής. Μεταβάλλοντας τη θέση του διαφράγματος, έπρεπε να δούμε μια εναλλασσόμενη αύξηση και μείωση στο ρυθμό των μορίων που καταμετρούνται ότι περνάνε από αυτό το διάφραγμα. Η ποιότητα αυτών των σχεδόν ημιτονοειδώς μεταβαλλόμενων κροσσών μπορεί να περιγραφεί με όρους αντίστοιχους αυτών μεταξύ φωτεινών και σκοτεινών ζωνών κατά τη συμβολή του φωτός. Έχουμε πετύχει τυπικές αντιθέσεις 40-50% για τα buckyballs του άνθρακα-70, πράγμα που συμφωνεί με την κβαντική θεωρία αν συμπεριλάβουμε όλες τις παραμέτρους που επηρεάζουν το πείραμα.

Το 2003 χρησιμοποιήσαμε την ίδια διάταξη για ν' αποδείξουμε την κυ,ατική φύση ακόμα μεγαλύτερων μορίων, όπως είναι το βιομόριο τετραφενυλοπορφυρίνη (C₄₄H₃₀N₄ ή "TPP") και το φθοριομένο  buckyball C₆₀F₄₈ (Εικόνα 2). Οι πορφυρίνες με σχήμα τηγανίτας παρουσίαζαν ιδιαίτερο ενδιαφέρον γιατί μερικοί φυσικοί ισχυρίζονταν ότι μόνο τα μόρια που έχουν υψηλή συμμετρία ή είναι ακόμη και σφαιρικά θα συμβάλλουν. Παρόλα αυτά, το C₄₄H₃₀N₄ - που υπάρχει στη χλωροφύλη - έχει πλάτος πάνω από  2 nm, και είναι διπλάσιο από το μόριο του άνθρακα-60 σε σχήμα μπάλας ποδοσφαίρου. Είναι τελείως ξεκάθαρο πια ότι το σχήμα του μορίου δεν επηρεάζει τις ιδιότητες συμβολής σ' αυτή την κλίμακα. Όσο για το φθοριωμένο buckyball C₆₀F₄₈, προς το παρόν έχει το παγκόσμιο ρεκόρ ως το πιο βαρύ σωμάτιο που δείχνει κβαντική συμβολή. Αν και δεν έχει τόση έκταση όση η πορφυρίνη, έχει μια μέση ατομική μάζα 1632 ατομικές μονάδες μάζας και περιέχει 108 άτομα συνδεδεμένα ομοιοπολικά σε ένα ενιαίο αντικείμενο που παρουσιάζει συμβολή.

1o, 2ο, 3ο