Vackra experiment - elektroninterferens

Först ut i min serie av vackra experiment är just det som blev etta i den ”officiella” listan. Youngs dubbelspaltexperiment med elektroner. Anledningen är inte så mycket att experimentet i sig var särdeles viktigt eller att det är särskilt snyggt genomfört utan för att det så enkelt påvisar en av de viktigaste principerna i kvantmekaniken. I själva verket är genomförandet i princip fallet i glömska.

Det hela inleddes i början på 1800-talet när Young genom sitt ursprungliga dubbelspaltexperiment visade att ljus är en form av vågrörelse, något som ansågs motbevisa Newtons korpuskelteori (se ”History of light”). Först i och med den fotoelektriska effekten, förklarad av Einstein i ett av hans berömda papper 1905, insåg man att ljus inte är en vågrörelse utan både en vågrörelse och en partikel. Den verkligt fina delen av dubbel-spalt-experimentet kom i början av 1900-talet när man insåg att även om ljuskällan var så svag att fotonerna endast kom en och en genom spalterna så observerar man fortfarande interferens. Dirac uttryckte det som att ”fotonen interfererar med sig själv”.

1924 presenterade den franske prinsen Louis de Broglie i sin doktorsavhandling den så kallade de Broglie-hypotesen, att alla partiklar har en vågform. I en generalisering av Einsteins fotonresultat bestämde han partiklarnas våglängd till λ=h/p, där h är Placks konstant och p rörelsemängden. de Broglie fick Nobelpriset för sin teori 1929. Det gör honom till en av få personer, tillsammans med bland annat Marie Curie (eller Maria Skłodowska-Curie som hon egentligen hette), som fått priset för sin doktorsavhandling. Det får väl anses som en lovande inledning till en adademisk karriär.

Just att Plancks konstant ingår i formeln för våglängd gör att vi på grund av dess litenhet inte observerar några vågfenomen i vardagen. En golfboll kastad med den måttliga hastigheten 10m/s skulle ha en våglängd på endast 10^-33m, alltså signifikant mindre än … ja allt! (En proton har en radie på ca 10^-15m, dvs en miljard miljard gånger större.). För att observera vågfenomen hos partiklar får man ta en partikel med liten massa (då p=mv), så elektronen är ideal. Framgången för Youngs experiment med ljus gjorde naturligtvis att man tänkte sig samma sak för elektroner. Det visade sig dock att det var lättare att utnyttja ett annat vågfenomen, diffraktion. 1927, alltså endast tre år efter de Broglies teori offentliggjordes, lyckades forskare vid Bell Labs och vid Aberdeen University oberoende av varandra påvisa elektrondiffraktion. Intressant i sammanhanget är Aberdeenforskaren var George Paget Thompson, son till den J. J. Thompson som fick Nobelpris för upptäckten av elektronen. Även sonen fick detta pris.

När de Broglies hypotes var fastställd var det inte längre lika sexigt att göra interferensexperiment med elektroner och det dröjde ända till 1961 innan Claus Jönsson i Thübingen lyckade genomföra det berömda tankeexperimentet. Det publicerades utan fanfar på tyska i Zeitschrift für Physik A¹. Sedan dess har man gått vidare till allt större partiklar. Man såg interferens först hos molekyler i I₂ (m=254amu) i ett lab i Paris². Anton Zeilingers grupp i Wien, som är en av de främsta inom experimentell fundamental kvantfysik, har på senare tid arbetat sig upp i massa, från fullerenen C₆₀ (m=720amu)³ till C₇₀ (m=840amu)⁴ till den fluoriderade fullerenen C₆₀F₄₈ med en massa på 1632 amu vilket jag tror är det nuvarande rekordet. Denna sista molekyl har i experimentet en våglägd på endast 2x10^-12m. Man använder i de senare fallen inte en enkel tvåspaltsinterferometer, utan måste ta till den lite mer sofistikerade Talbot-Lau-interferometern.

Varför är då partikelinterferometri så facinerande? För att låna från alla fysikers favoritciteringsobjekt, Richard Feynman, ur hans berömda föreläsningar i fysik:

We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way, and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery.

Det är kanske inte så konstigt att fysiker facinerats av just dessa fenomen, och de moderna experimenten, om än inte så omtalade, gör mycket för att utforska gränslandet mellan kvant- och klassisk fysik.

¹ C. Jönsson, "Elektroneninterferenzen an mehreren künstlich hergestellten Feinspalten," Z. Phys. A 161 (4), 454-474 (1961).
² C. J. Bord, N. Courtier, F. du Burck et al., "Molecular interferometry experiments," Phys. Lett. A 188, 187-197 (1994).
³ M. Arndt, O. Nairz, J. Vos Andreae et al., "Wave–particle duality of C₆₀ molecules," Nature 401, 680-682 (1999).
⁴ B. Brezger, L. Hackermüller, S. Uttenthaler et al., "Matter-wave interferometer for large molecules," Phys. Rev. Lett. 88 (10), 100404 (2002).
⁵ L. Hackermüller, S. Uttenthaler, K. Hornberger et al., "Wave Nature of Biomolecules and Fluorofullerenes," Phys. Rev. Lett. 91, 090408 (2003).

Andra bloggar om: vetenskap, fysik.