Research press release


Nature Nanotechnology

Molecules make quantum waves

分子を用いた実験で干渉縞が形成されたことが今週のNature Nanotechnology電子版に報告されている。干渉縞は、波のように振る舞うことを示す典型的な証拠である。粒子が波のように振る舞うことは量子力学(最小の長さスケールで物質の振る舞いを説明する理論)の決定的特徴のひとつであり、今回研究された分子は数ピコメートルという特有の波長を持っている。

電子の干渉縞の観測は、かつて、「物理学で最も美しい実験」と評された。その実験とは、2本の細いスリットを通過した一個一個の電子が検出スクリーンにぶつかるにつれて干渉縞がゆっくり形成されていく様子を記録したものである。最近になって、Markus Arndtらは、400個以上の原子からなる分子を用いた実験において、波のような振る舞いを観測した。今回、Arndtらは、これらの2つの技術を組み合わせることによって、スリットを通過した個々の分子(58個または114個の原子からなる)が検出されるにつれて干渉縞が形成されていく様子を動画で記録した。

波のような振る舞いを実証する古典的な方法は、波である光ビームを一対の細いスリットを通して照射し、スリットの後ろのスクリーンにぶつかった光の強度が位置によってどのように変化するかを測定することである。片方のスリットを通過した波の最大値がもう片方のスリットを通過した波の最大値と一致するところに強度のピークが見られ、2つの波の最小値が一致するところに強度のボトムが観測される。干渉縞というのは、そのようなピークとボトムのパターンのことである。通常の粒子でこの実験を繰り返すと、2つのピークが観測される。各ピークは片方のスリットのみを通過した粒子によって形成されるからである。しかし、量子的粒子のビームを用いると、光の場合と同じように、多くのピークを持つ干渉縞が観測される。Bum Suk ZhaoとWieland Schollkopfは、今回の最新の実験は「量子世界と古典世界の違いに関して新しい知見をもたらすはずである」とNews and Viewsの記事に書いている。

The build up of an interference pattern - the classic signature of wave-like behaviour - in an experiment performed with molecules is reported online this week in Nature Nanotechnology. The ability of particles to behave as waves is one of the defining features of quantum mechanics - the theory that describes the behaviour of matter on the smallest length scales - and the molecules in this work have typical wavelengths of a few picometres.

The observation of an electron interference pattern was once described as the “most beautiful experiment in physics”. The experiment involved recording the slow build up of an interference pattern as individual electrons hit a detection screen after passing through two narrow slits. More recently, Markus Arndt and co-workers observed such wave-like behaviour in experiments with molecules containing more than 400 atoms. Now Arndt and co-workers have combined these two feats to record a movie showing the build up of an interference pattern as individual molecules (which contain either 58 or 114 atoms) are detected after passing through slits.

A classic way to demonstrate wave-like behaviour is to send a beam of light, which is a wave, through a pair of narrow slits and measure how the intensity of the light hitting a screen behind the slits changes with position. Peaks are seen in the intensity wherever a maximum in the wave that has passed through one slit coincides with a maximum in the wave that has passed through the other slit, and troughs are observed wherever two minima coincide with each other. Such a pattern of peaks and troughs is known as an interference pattern. If this experiment is repeated with a beam of ordinary particles we will see two peaks, each formed by the particles that have passed through a particular slit. However, if we use a beam of quantum particles we will see an interference pattern with multiple peaks, just as we do for light. As Bum Suk Zhao and Wieland Schollkopf write in an accompanying News and Views article, the latest experiments “should provide new insights into the differences between the quantum and classical worlds”.

doi: 10.1038/nnano.2012.34

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