Moleculen van 2.000 atomen groot kunnen op twee plekken tegelijkertijd zijn. Dat tonen onderzoekers aan in een quantumexperiment. Deze quantummechanische eigenschap is nog nooit eerder bij zulke grote objecten waargenomen.

Met lichtdeeltjes, elektronen en kleine moleculen was het al eerder aangetoond, maar nu blijkt dat ook gigantische moleculen op meerdere plekken tegelijkertijd kunnen zijn. Daarmee voldoen ook deze moleculen aan de quantummechanische beschrijving dat deeltjes ook beschouwd kunnen worden als golven.

Onverklaarbaar kattengat
LEES OOK
Onverklaarbaar kattengat

Van quantum naar macro

Het gedrag van kleine deeltjes kan voorspeld worden door ze soms als deeltjes te beschrijven, maar soms ook als golven die uitgesmeerd zijn in de ruimte, waardoor de deeltjes op meerdere plekken tegelijkertijd zijn. Op de allerkleinste schaal is deze quantummechanische beschrijving van de wereld erg succesvol. Maar in de wereld om ons heen gedragen voorwerpen zich niet als golven. Een bal is niet een uitgesmeerde golf, maar ligt duidelijk op één plek.

Een van de grote vragen van de fysica is waar de quantumwereld ophoudt en de wereld die wij zien begint. Hoe groot moet een deeltje zijn om niet meer in de ban te zijn van de quantummechanica?

Hier proberen onderzoekers van de Universiteit van Wenen en de Universiteit van Basel een antwoord op te vinden. ‘Voor ons onderzoek synthetiseerden de onderzoekers uit Basel moleculen van 2.000 atomen groot, die stabiel genoeg waren zodat we het experiment konden doen’, mailt de Weense hoogleraar Markus Arndt.

Tweespletenexperiment

Dat de moleculen zich al golven gedragen, is aangetoond met een complexe versie van het tweespletenexperiment. Hierbij worden deeltjes een voor een op een plaat afgeschoten met twee spleten erin. Achter de plaat staat een scherm waar de deeltjes gemeten worden.

Als je heel veel knikkers op de spleten afschiet, dan zie je op het scherm, achter elke spleet, een streep ontstaan waar de knikkers de plaat raken. Er gebeurt iets heel anders als je een golf op zo’n plaat afstuurt. Die klotst door de spleten heen. Vanuit die twee spleten ontstaan dan cirkelvormige golven, zoals wanneer je een steen in een vijver gooit. Achter de spleten doven de toppen en dalen van de golven elkaar uit of ze versterken elkaar, waardoor er een interferentiepatroon ontstaat. Dit resulteert in meerdere strepen op het scherm.

Wanneer je quantummechanische deeltjes op twee spleten afschiet, gebeurt er geks. Die piepkleine deeltjes kunnen zich als een golf gedragen, wat betekent dat ze tegelijkertijd door de twee verschillende spleten heen klotsen. Daardoor ontstaat hetzelfde interferentiepatroon als bij golven.

‘Toen we dit experiment deden met de gesynthetiseerde moleculen, ontstond er een patroon dat duidelijk wijst op quantummechanisch golfgedrag’, zegt Arndt.

Tweespletenexperiment waarbij een bundel deeltjes door twee spleten beweegt, interfereert en strepen maakt op het scherm. Bron: Wikimedia commons.

Zwaartekracht

Hiermee is aangetoond dat ook megamoleculen van 2.000 atomen groot in het quantumdomein vallen. Maar het vertelt niet waarom we in de macroscopische wereld om ons heen geen quantumgedrag zien. Er zijn verschillende theorieën die dit proberen te verklaren. ‘Sommige daarvan beargumenteren dat er er een invloed is van zwaartekracht’, zegt Arndt. Hoe zwaarder het object, hoe minder quantumgedrag.

‘Met ons onderzoek proberen we de grens te zoeken van het quantumgedrag. Zo kunnen we bepaalde theorieën bevestigen of uitsluiten’, zegt Arndt. ‘De komende jaren zullen we met onze experimenten nog grotere en zwaardere moleculen gaan testen.’

llustratie van de grote moleculen die in het experiment zijn gebruikt. © Yaakov Fein, Universität Wien