Atomer är också vågor – tydliga atomsvävningar observerade

Louis de Broglie fick Nobelpriset 1929 för sin forskning om atomer som vågor. Trots att hans fynd varit kända under en lång tid är idén svår att riktigt greppa och vi blir fortfarande förvånade när materiens vågnatur visar sig på nya sätt.

Vi tycker inte att det är konstigt att två vågor kan släcka ut eller förstärka varandra, beroende på om de är i fas eller inte. För att stämma en gitarr kan man slå an två strängar som ska ge samma ton samtidigt. Om strängarnas frekvens är lite olika kommer ljudnivån att öka och minska i styrka när de två vågorna kommer i och ut ur fas. Detta kallar vi svävningar. Bara om strängarna ger exakt samma ton kommer ljudnivån att minska monotont, svävningarna försvinner och vi förstår att gitarren är stämd.

Är detta relevant för atomernas rörelser? Javisst, säger kvantmekaniken. Atomer är vågor. De har en våglängd som bestäms av deras hastighet, de kan vara i eller ur fas med varandra, och därmed också förstärka eller släcka ut varandra. Svävningar kan uppstå på samma sätt som i ljudvågorna från den ostämda gitarren. I praktiken är atomernas interferens svår att direkt observera, eftersom det är svårt kontrollera och mäta atomernas hastighet tillräckligt bra.

Uppsalaforskare har, i samarbete med MAX-lab, Helmholtz-Zentrum Berlin, Swiss Light Source och KTH, observerat tydliga atomsvävningar. Med hjälp av synkrotronljus exciterar atomerna i O2-molekylen så att de börjar separera. Det speciella med excitationen är att atomerna kan separera med två olika hastigheter. För atomer som vågor innebär det att de har två olika våglängder och under separationen kommer vågorna att vara i eller ur fas vid olika separationsavstånd. Det uppstår svävningar, som syns tydligt i de ljusspektra som uppstår när de elektronerna i atomerna ändrar tillstånd.

– Detta är inte konstigare än att stämma en gitarr, bara man accepterar att atomerna är vågor. För många talar det mot intuitionen, och dessutom fungerar partikelbilden bra i många sammanhang. När man ska göra atomära modeller av komplicerade kemiska och fysiska förlopp går man ofta tillbaka till en bild där en atom är en partikel med bestämd position och hastighet. Man vänjer sig. Det är därför som Louis de Broglie kan fortsätta att förvåna oss med att påminna om materiens vågnatur, säger Jan-Erik Rubensson, professor i fysik vid Uppsala universitet.

För mer information, kontakta Jan-Erik Rubensson, tel: 018-471 3562, 070-4250480, e-post: jan-erik.rubensson@physics.uu.se

Läs artikeln i Physical Review Letters [Ref 1].
Spatial Quantum Beats in Vibrational Resonant Inelastic Soft X-Ray Scattering at Dissociating States in Oxygen, A. Pietzsch, Y.-P. Sun, F. Hennies, Z. Rinkevicius, H. O. Karlsson, T. Schmitt, V. N. Strocov, J. Andersson, B. Kennedy, J. Schlappa, A. Föhlisch, J.-E. Rubensson, and F. Gel’mukhanov, Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.153004

Uppsala universitet – kvalitet, kunskap och kreativitet sedan 1477. Forskning i världsklass och högklassig utbildning till global nytta för samhälle, näringsliv och kultur. Uppsala universitet är ett av norra Europas högst rankade lärosäten. www.uu.se