Molekülbeugung im Quantenfilm

Wien (Österreich) – Vor über hundert Jahren konnte der Physiker Thomas Young mit dem Doppelspaltversuch anschaulich zeigen, dass Elektronen sowohl die Eigenschaften von Teilchen als auch von Wellen besitzen. Mittlerweile lässt sich das Experiment auch mit größeren Teilchen, Atomen und sogar komplexen Molekülen durchführen. Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat nun mit einem hochauflösenden Fluoreszenzmikroskop den Verlauf des Versuchs in einem Film festgehalten. Dazu verwendeten sie hochfluoreszierende Farbmoleküle, die an einem hauchdünnen Nanogitter gebeugt wurden.

QuantenfilmQuantenfilm
Video: Interferenzmuster von Farbstoffmolekülen

Beim klassischen Doppelspaltversuch tritt ein Elektronenstrahl durch eine Blende mit zwei schmalen, parallelen Spalten und trifft dahinter auf eine Fotoplatte. Dort, wo die Elektronen mit dem Material der Platte reagieren, entstehen jedoch nicht zwei Streifen entsprechend zu den beiden Spalten, sondern ein Muster von mehreren Streifen. Dieses Interferenzmuster lässt sich nur über die Wellentheorie erklären, in der sich Wellen hinter der Blende verstärken und auslöschen können, und beweist damit die Doppelnatur der Elektronen als Welle und Teilchen. Während des Fluges lässt sich der genaue Aufenthaltsort der Teilchen dabei nicht vorhersagen. Stattdessen liefert die Quantenmechanik nur eine Wahrscheinlichkeit, mit der sich die Elektronen an einem bestimmten Ort befinden. Erst wenn sie auf die Platte treffen, ist der Aufenthaltsort wieder eindeutig festzustellen.

Für das neue Experiment, an dem Wissenschaftler der Universitäten, Wien, Basel, Tel Aviv sowie des Karlsruher Instituts für Technologie beteiligt waren, kamen Moleküle des Farbstoffs Phtalocyanin zum Einsatz. Die Moleküle wurden mit Hilfe eines Lasers verdampft und trafen dann auf ein Gitter aus Siliziumnitrid. Ein Problem bei diesem Versuch sind die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte, die zwischen einzelnen Atomen oder Molekülen auftreten und dazu führen, dass sich diese schwach anziehen und miteinander wechselwirken. Um die Wechselwirkungen zu verringern, stellten die Forscher das Gitter aus einer nur zehn Nanometer dicken Membran her, das entspricht rund fünfzig Lagen von Siliziumnitridmolekülen.

Mit einem Detektor und dem Fluoreszenzmikroskop zeichnete das Team anschließend auf, wo die Moleküle hinter dem Gitter auftrafen. Der Versuchsaufbau ist dabei so sensibel, dass jedes Molekül als einzelner leuchtender Punkt sichtbar wird. Ihre Position kann dabei mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern vermessen werden. Im Film zeigt sich, wie sich nach einer Weile die typischen Streifen des Interferenzmusters bilden.

Mit ihrem Versuch wollten die Forscher vor allem ein komplexes Quantenbeugungsmuster auf makroskopischer Skala für das Auge sichtbar machen. Die Kombination von Nanotechnologie mit der Erzeugung, Beugung sowie dem Nachweis von Molekülstrahlen kann außerdem helfen, solche Quanteninterferenzexperimente in Zukunft mit immer komplexeren Molekülen durchzuführen.