Gigantische moleculen kunnen dankzij de kwantumfysica op twee plaatsen tegelijk zijn.
Dat is iets waarvan wetenschappers al lang weten dat het theoretisch waar is op basis van een paar feiten: elk deeltje of elke groep deeltjes in het universum is ook een golf - zelfs grote deeltjes, zelfs bacteriën, zelfs mensen, zelfs planeten en sterren. En golven bezetten meerdere plaatsen tegelijk in de ruimte. Elk stuk stof kan dus ook twee plaatsen tegelijk innemen. Natuurkundigen noemen dit fenomeen 'kwantumsuperpositie' en decennia lang hebben ze het aangetoond met kleine deeltjes.
Maar in de afgelopen jaren hebben natuurkundigen hun experimenten opgeschaald door kwantum-superpositie aan te tonen met steeds grotere deeltjes. Nu, in een paper dat op 23 september in het tijdschrift Nature Physics is gepubliceerd, heeft een internationaal team van onderzoekers ervoor gezorgd dat moleculen bestaande uit maximaal 2000 atomen twee plaatsen tegelijkertijd bezetten.
Om het voor elkaar te krijgen, bouwden de onderzoekers een gecompliceerde, gemoderniseerde versie van een reeks beroemde oude experimenten die eerst kwantumsuperpositie demonstreerden.
Onderzoekers wisten al lang dat licht, dat door een plaat met twee sleuven erin wordt geschoten, een interferentiepatroon of een reeks van lichte en donkere randen op de muur achter de plaat zou creëren. Maar licht werd opgevat als een massaloze golf, niet iets gemaakt van deeltjes, dus dit was niet verrassend. In een reeks beroemde experimenten in de jaren twintig toonden natuurkundigen echter aan dat elektronen die door dunne films of kristallen worden afgevuurd, zich op een vergelijkbare manier zouden gedragen en patronen zouden vormen zoals licht op de muur achter het diffracterende materiaal.
Als elektronen gewoon deeltjes waren en dus slechts één punt per keer in de ruimte konden innemen, zouden ze twee stroken vormen, ongeveer de vorm van de spleten, op de muur achter de film of het kristal. Maar in plaats daarvan raakten de elektronen die muur in complexe patronen, wat suggereert dat de elektronen zichzelf hadden verstoord. Dat is een veelbetekenend teken van een golf; op sommige plekken vallen de toppen van de golven samen, waardoor er helderdere gebieden ontstaan, terwijl op andere plekken de toppen samenvallen met dalen, zodat de twee elkaar opheffen en een donker gebied creëren. Omdat natuurkundigen al wisten dat elektronen massa hadden en zeker deeltjes waren, toonde het experiment aan dat materie zowel als individuele deeltjes als als golven werkt.
Maar het is één ding om met elektronen een interferentiepatroon te creëren. Het doen met gigantische moleculen is een stuk lastiger. Grotere moleculen hebben minder gemakkelijk te detecteren golven, omdat zwaardere objecten kortere golflengten hebben die tot nauwelijks waarneembare interferentiepatronen kunnen leiden. En deze deeltjes van 2000 atomen hebben golflengten die kleiner zijn dan de diameter van een enkel waterstofatoom, dus hun interferentiepatroon is veel minder dramatisch.
Om het dubbele spleetexperiment voor grote dingen uit te voeren, bouwden de onderzoekers een machine die een bundel moleculen kon afvuren (kolossale dingen genaamd "oligo-tetrafenylporphyrins verrijkt met fluoralkylsulfanylketens", ongeveer 25.000 keer de massa van een eenvoudig waterstofatoom ) door een reeks roosters en platen met meerdere sleuven. De balk was ongeveer 2 meter lang. Dat is groot genoeg dat de onderzoekers rekening moesten houden met factoren als zwaartekracht en de rotatie van de aarde bij het ontwerpen van de straalzender, schreven de wetenschappers in het artikel. Ze hielden de moleculen ook redelijk warm voor een kwantumfysisch experiment, dus moesten ze rekening houden met warmte die de deeltjes verdreef.
Maar toch, toen de onderzoekers de machine aanzetten, vertoonden de detectoren aan het uiteinde van de straal een interferentiepatroon. De moleculen bezetten tegelijkertijd meerdere punten in de ruimte.
Het is een opwindend resultaat, schreven de onderzoekers, waarmee ze kwantuminterferentie op grotere schaal aantoonden dan ooit tevoren was waargenomen.
'De volgende generatie materiegolf-experimenten zal de massa met een orde van grootte opdrijven', schreven de auteurs.
Er komen dus nog grotere demonstraties van kwantuminterferentie, hoewel het waarschijnlijk niet snel mogelijk zal zijn om jezelf door een interferometer af te vuren. (Allereerst zou het vacuüm in de machine je waarschijnlijk doden.) Wij gigantische wezens zullen gewoon op één plek moeten zitten en kijken hoe de deeltjes al het plezier hebben.
