A fizikusoknak először sikerült teljes atomokat kristályrácsokon keresztül diffrakcióra bírniuk – ez elég rejtélyesen hangzik, de nagyon röviden a lényeg, hogy ezáltal sikerült a lehetetlent megvalósítani. A kísérlet jelentősége sem elenyésző: alapvetően változtathatja meg a gravitációs hullámok észlelését, mivel egy példátlanul érzékeny mérési módszert ad a kutatók kezébe – írja a New Scientist.

A hullám-részecske kettősség fogalmát, amely a kvantummechanika egyik alapvető oszlopa, először George Paget Thomson prezentálta lassan egy évszázaddal ezelőtt, 1927-ben. Thomson bebizonyította, hogy amikor az elektronok kristályon haladnak át, diffrakciós mintázatot hoznak létre. Ez a jelenség akkor fordul elő, amikor hullámok kis nyílásokon áthaladva meghajlanak és szétterülnek. Thomson kísérlete, amelyért Nobel-díjat kapott, döntő bizonyítékot szolgáltatott a szubatomi részecskék hullámszerű viselkedésére, és megteremtette a modern elektronmikroszkópia tudományos alapjait.

Az ezt követő években bár továbbra is sikeresen figyelték meg az atomok diffrakciós mintázatait, ezekhez különleges, bonyolult eljárásokkal előállított rácsokat használtak. Ezek a rácsok viszonylag nagy hézagokkal rendelkeztek, ami korlátozta a kapott mintázatok érzékenységét. Az olyan kísérletek, amelyek atomokat próbáltak kristályrácsokon keresztül diffrakcióra bírni – hasonlóan Thomson elektronokkal végzett munkájához –, eddig lényegében tehát sikertelenek voltak. Ennek oka az volt, hogy a szükséges nagy energiák károsították a kristályokat, így megakadályozták magát a diffrakciót. Christian Brand és kollégái a Német Repülési Központban mostanra viszont megoldották ezt a problémát, egy grafénlap – egyetlen réteg szénatom – segítségével. A kutatócsoport hidrogén- és héliumatomokat gyorsított nagy sebességre és energiára, majd átvezette őket a grafén parányi résein. A várakozásokkal ellentétben a grafénlap még 100 órás bombázás után sem sérült meg. A másik oldalon elhelyezett kamerák pedig jellegzetes, körkörös diffrakciós mintázatokat rögzítettek.

Bill Allison, a Cambridge-i Egyetem munkatársa elmagyarázta, hogy a nagy energia lehetővé tette, hogy az atomok szinte észrevétlenül lépjenek kölcsönhatásba a grafénnel, így megőrizhették hullámszerű természetüket, és kialakult a diffrakció. A jelenséget ahhoz hasonlította, mint amikor valaki úgy nyit ki és zár be egy ajtót, hogy azt senki sem veszi észre – magyarán a hullámszerű viselkedés érintetlen marad.

Mindennek a tudományos haszna ráadásul túlmutat ezen a konkrét kísérleten: olyan atomi interferométerek megalkotását teszi lehetővé, amelyek érzékenysége messze meghaladja a jelenlegi technológiákét, és forradalmasíthatja a gravitációs hullámok észlelését. Mint Allison nyilatkozott:

“Zseniális munka. Lenyűgözött, hogy a kutatók egy ilyen merész kísérletet hajtottak végre, és ráadásul sikerrel is jártak.”

(Kép: amikor a részecskék hullámként viselkednek, egy kis nyíláson áthaladva körkörös diffrakciós mintázatot hoznak létre, forrás: Science Photo Library/E. R. Degginger)