Warmte verraadt overgang quantum naar klassiek - Rob van den Berg

Terwijl in de quantumwereld atomen en moleculen zich niet alleen als deeltjes, maar even goed als golven kunnen gedragen, volgt een biljartbal de botsingswetten van de klassieke natuurkunde. Waar die overgang van quantum naar klassiek precies optreedt is nu wat duidelijker geworden door een mooi experiment van Oostenrijkse natuurkundigen. Zij laten zien dat macromoleculen, opgebouwd uit vele atomen, zich weliswaar als golven kunnen voordoen, maar op slag veranderen in klassieke `ballen' wanneer ze zich verraden door de warmte die ze uitstralen (Nature, 19 febr.).

Vorig jaar onderwierpen Anton Zeilinger en zijn collega's grote, van buckybal afgeleide moleculen aan eenzelfde soort `dubbele spleet experiment' als waarmee Thomas Young begin 1800 voor het eerst het golfkarakter van licht aantoonde. Young liet een lichtbundel door twee nauwe spleten in een scherm passeren en toonde aan dat er achter het scherm een interferentiepatroon va afwisselend heldere en donkere strepen ontstond. Een lichtgolf die de twee spleten passeert splitst zich als het ware op en wanneer beide lichtgolven weer samenkomen kunnen ze elkaar versterken of verzwakken, afhankelijk van de afstand die elk van beiden heeft afgelegd.

Ook moleculen bleken na het passeren van een goudrooster (een rij dubbele spleten voor moleculen) met elkaar te kunnen interfereren. Zeilinger heeft nu dit experiment herhaald, met als belangrijke toevoeging dat hij de moleculen aan het licht van een intense laserbundel blootstelde. Door absorptie van dit laserlicht raken de moleculen sterk verhit. Afhankelijk van de intensiteit van de laserbundel kon Zeilinger hun temperatuur `instellen', alvorens ze op het rooster af te sturen. Bij zo'n 700 graden Celsius veranderde er weinig ten opzichte van zijn eerdere experiment: achter het goudrooster was een duidelijk interferentiepatroon te zien, een regelmatige afwisseling van plaatsen waar veel of juist weinig moleculen waren aangekomen. Dat was een duidelijk bewijs dat de moleculen zich gedragen als golven die zich in het rooster splitsen en met zichzelf interfereren.

Maar naarmate de temperatuur opliep, werd het interferentiepatroon zwakker, om bij circa 1700 graden Celsius zelfs helemaal te verdwijnen. Hetere moleculen zenden meer warmtestraling uit, waardoor ze als molecuul `zichtbaar' worden. Zodra dat gebeurt, kunnen ze zich niet langer voordoen als golven en gaat de interferentie verloren. Modelberekeningen ondersteunen deze conclusie en zijn ook kwantitatief volledig in overeenstemming met de experimentele resultaten. Het is voor het eerst dat deze overgang van quantumgedrag naar klassiek gedrag zo nauwkeurig is bestudeerd. De onderzoekers denken dat vergelijkbare experimenten mogelijk zijn met nog veel grotere eiwitmoleculen.