Австрийским ученым удалось впервые наблюдать интерференцию биомолекул, кроме того, они смогли вдвое увеличить массу молекулы, для которой экспериментально продемонстрирована картина интерференции молекулярных дебройлевских волн.

В наших новостях мы уже не раз писали о работах группы ученых из Венского университета, работающих под руководством Антона Цайлингера. Всемирную известность этой группе принесли сенсационные эксперименты 1997 года, когда ими была впервые продемонстрирована квантовая телепортация фотонов. Однако квантовая телепортация - не единственное направление деятельности этой группы, и на сей раз мы будет говорить не об этом интереснейшем явлении, а о молекулярной оптике.

Рис.1. Структура молекул C44H30N4 (слева) и C60F48 (справа).

В основе атомной и молекулярной оптики лежит хорошо известный факт - движущейся частице может быть приписана определенная (дебройлевская) длина волны l = h/p. С тех пор, как Луи де Бройль высказал свою революционную гипотезу о волновых свойствах частиц, утекло уже много воды. Десятки лет материальные волны исправно служат ученым в электронной микроскопии и множестве других методик исследования вещества, число которых непрерывно растет (один из последних примеров - нейтронная голография). Однако в последнее десятилетие развитие атомной оптики идет особенно бурно, в первую очередь, за счет достижений на двух направлениях исследований. Безусловно, важнейшим из достижений последнего десятилетия являются успехи в охлаждении разреженных атомных газов до сверхнизких температур, что позволило получить атомные Бозе- конденсаты. При температурах порядка микрокельвина и ниже скорости движения атомов столь малы, что дебройлевская длина волны атомов может превышать один микрон, в результате чего рассмотрение атомного газа как набора отдельных частиц становится некорректным. Получение атомных Бозе- конденсатов сделало возможным создание атомных лазеров - источников когерентных материальных волн (моноэнергетичных коллимированных пучков атомов). Появление атомных лазеров должно сыграть большую роль для развития атомной литографии, интерферометрии, голографии, микроскопии и т.д.

Другим направлением, на котором за прошедшее десятилетие были отмечены заметные успехи, было наблюдение волновых свойств макромолекул, обладающих достаточно сложной внутренней структурой. Недавняя работа Антона Цайлингера с сотрудниками [1] - очередной шаг в этом направлении. Австрийские исследователи провели эксперименты по наблюдению волновых свойств макромолекул разного типа, установив при этом рекорд и застолбив за собой приоритет. Во-первых, они продемонстрировали волновые свойства молекул фторфуллерена C₆₀F₄₈, масса которой (1648 атомных единиц массы) в два раза превышает массу самой тяжелой из ранее использовавшихся в подобных экспериментах молекул (приятно отметить, что молекулы C₆₀F₄₈ для этих экспериментов были получены в России - в Московском государственном университете). Во-вторых, впервые удалось наблюдать интерференционную картину для биомолекул - молекул тетрафенилпорфирина (C₄₄H₃₀N₄). Молекулы порфиринов - пигменты, входящие в состав многих сложных биологических молекул, в частности, тетрафенилпорфирин (см. рис. 1) входит в состав гемоглобина и хлорофилла.

Для наблюдения волновых свойств макромолекул в экспериментах австрийских ученых использовался интерферометр Тэлбота-Лоу (схема эксперимента показана на рис. 2),, представляющий собой три последовательно расположенные друг за другом дифракционные решетки (в данном случае период изготовленных из золота дифракционных решеток был порядка 1 мкм, их толщина - 500 нм), расположенных друг за другом другом. Интерферометр и регистрирующее устройство находились в вакуумной камере, где к началу экспериментов был создан высокий вакуум. Молекулы поступали в вакуумную камеру из обычного термического источника - за счет сублимации вещества при температурах порядка 600 - 700 K. Надо заметить, что в отличие от случая ультрахолодных атомных газов, молекулы, состоящие из многих десятков атомов и движущиеся со скоростью несколько сотен метров в секунду, имеют очень малую дебройлевскую длину волны - порядка пикометра (1 пм = 10^-12 м).

Рис.2. Схема эксперимента (из работы [2]). В отличие от изображенной на рисунке схемы в описываемых экспериментах имелась дополнительная горизонтальная щель для селекции молекул по скоростям (за счет действия силы тяжести), а ионизация молекул проводилась с помощью их "бомбардировки" электронами.

В экспериментах удалось наблюдать интерференционную картину, весьма неплохо описывающуюся в рамках квантовой механики и явно не совпадающую с тем, что можно было бы ожидать в рамках чисто классического представления о молекулах, как о точечных объектах, движущихся прямолинейно. Кроме того, в рамках классических представлений невозможно объяснить зависимость интерференционной картины от скорости молекул, наблюдавшуюся в эксперименте, которая естественным образом возникает при квантовомеханическом рассмотрении (дебройлевская длина волны обратно пропорциональна импульсу частицы).

Наблюдение волновых свойств макромолекул весьма интересно в плане изучения влияния сложной внутренней структуры молекул на их поведение в подобных экспериментах, в частности, для исследования "границы между квантовым и классическим" (наблюдение декогерентизации в подобных экспериментах). Можно ожидать, что в ближайшее десятилетие совершенствование экспериментальной техники позволит ставить эксперименты с объектами с еще большими размерами - вплоть до вирусов.

1. Lucia Hackermueller, Stefan Uttenhaler, Klaus Hornberger et al. Phys.Rev.Lett., v.91, 090408 (2003).

2. Bjorn Brezger, Lucia Nackermueller, Stefan Uttenhaler et al. Phys.Rev.Lett., v.88, 100404 (2002).

Е.Онищенко