波粒二象性是我们宇宙的基本事实。但是我们看不到许多物体像波浪一样四处移动。所以当一个球击中你的头时会感到痛的原因：你和球的行为都像粒子一样。
原则上，物体的这种波状的性质需要被观测。现在，发表在最近的《物理评论通讯》最新研究论文表明：具有相对较重、复杂的大分子粒子可以观测到这种波动性。
关于波与粒的争论始于牛顿时代，水的波浪才刚刚开始被理解。一系列实验表明，光不仅仅局限是所眼见到的。那么光是粒还是波？辩论一直在进行，直到托马斯·杨在1803年提出了他的经典双缝实验的结果，表明光是波。
当发现光可以使固体从其表面发射电子时，这种简洁的结局变得混乱。爱因斯坦在1905年通过将光描述为粒子来解释了这一点。从此，意识到光既是粒又是波，这是想象力的一次飞跃。波粒二象性在当时世界各地物理学家的痛苦的尖叫中诞生。
如果光既是粒又是波，那么为什么不是其它呢？德布罗意提出了这个想法，汤姆森在1927年证实了电子的波粒二象性。波粒二象性在这里一直存在，但是在重粒子中观察它却非常具有挑战性，因为粒子的波长非常短。
在这项新的研究工作中，研究人员在该研究实验中使用了如图所示的一种称为酞菁（Phthalocyanine）的大分子。
研究人员旨在使用这种重分子观察衍射（一种波的性质）。想象一下带有锐利边缘的屏幕。当光线照到屏幕上时，它后面有三个区域：光线射到屏幕上并被遮挡的区域（这会导致阴影）；光线错过屏幕并通过的区域；以及由光线撞击到锐利的边缘产生的第三个区域，边缘将重新向各个方向辐射光线，包括阴影和明亮区域。
与没有碰到边缘的光相比，这种重新辐射的光采取了不同的路径。结果是某些看起来应该亮的区域实际上是暗的，而暗区域可能看起来更亮。亮和暗的图案称为衍射图案。衍射是使成像系统，包括我们的眼睛，正常工作的原因。
为了测量衍射图，这样的波必须适当地被保留。可以这样设想：假设你坐在尖锐的边缘，能够测量入射光的幅度，并在其再次辐射时进行测量。利用波动定律，你可以稍后在空间中的任何其他位置预测振幅，但这只有在没有任何干扰波动的情况下才是正确的。在这种情况下，你将观察到衍射图样。但是，波受到的干扰越大，衍射图案越弱。波足够地弱时，衍射图案最终消失。
像分子一样，重粒子由一些较小的带电粒子组成，这些粒子容易破碎。这意味着分子的波性质会随每次碰撞而随机改变，从而使振幅无法预测，并冲淡了衍射图样。
这使得测量两个质量分别比氢重331和515倍的分子的衍射图非常令人印象深刻。
分子轻轻波动
为了从分子获得衍射图，研究人员需要创建一个光束，使所有分子具有相似的速度。为此，研究人员使用激光将分子从一个玻璃窗上炸掉。分子云将以大范围的速度飞向真空。将垂直狭缝放置在低范围，以仅允许沿正确方向传播的分子撞击目标。如上所述，目标不是边缘，而是来自激光束的光产生驻波图。驻波图样中的峰值强度很高，使分子精确地偏转，就好像它们已经穿过间隙一样，从而形成了衍射图样。
此时，所有分子都具有不同的能量（速度），因此衍射图将被洗掉。但是分子也由于重力而下落。水平定向的第二条狭缝选择行进一定距离后下落的分子。这也选择了速度，因为快分子将冲过缝隙，而慢分子将不足以冲过。
在第二个缝隙之后，分子进入筛子并粘附在筛子上。研究人员选择的分子在受到蓝色或紫外线照射时会发光，因此让这个实验进行一会儿之后，就可以观察到这些分子在屏幕上的位置。
研究人员表明，他们可以针对不同的分子速度和驻波图样上不同的入射角观察到不同的衍射图样。衍射图样很弱，但这是在首次演示中可以预期的，与理论相当吻合。
参考：Bragg Diffraction of Large Organic Molecules. Physical Review Letters, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.033604量子认知 | 简介科学新知识，敬请热心来关注。