Наблюдение дифракции волны вещества от периодического массива полуплоскостей

Фотография исследовательской группы, сделанная в лаборатории Института Фрица-Хабера в Берлине. Предоставлено: Lee et al.

Исследователи из Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) в Корее и Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, в Германии, недавно провели исследование, исследующее дифракцию волны вещества от периодического массива полуплоскостей. В их статье, опубликованной в Physical Review Letters (PRL), сообщается об отражении и дифракции пучков He и D2 от прямоугольных решеток с периодом 400 мкм и ширины полос в диапазоне от 10 до 200 мкм в условиях падающего падения.

«Наш эксперимент основан на дуальности волны- частицы , которая является основным понятием в квантовой механике», — сказал Phys.org Виланд Шёлкопф, один из исследователей, проводивших исследование. «Идея о том, что микроскопические частицы, такие как электроны, нейтроны, атомы или даже молекулы, проявляют волнообразное поведение, восходит к 1920-м годам, когда Луи де Бройль представил длину волны частиц, которая сегодня называется длиной волны де Бройля».

С тех пор как де Бройль впервые разработал свою теорию, исследователи провели многочисленные эксперименты по наблюдению дифракции и интерференции, двух волновых явлений, которые невозможно объяснить на изображении частиц. Основной целью исследования, проведенного Schöllkopf и его коллегами, было исследование новых методов дифракции материальных волн, которые позволяют когерентно манипулировать атомными и молекулярными пучками.

«Мы наблюдали дифракцию атомов He и молекул D2, рассеивающихся из решетчатой ​​структуры», — объяснил Шёлкопф. «Последний образован периодической матрицей полимерной пленки, структурированной на стеклянной подложке с золотым покрытием. В UNIST в Ульсане, Корея, были изготовлены различные решетчатые структуры с одинаковым периодом, но разной ширины полимерных полос. Эти решетки использовались в дифракционном аппарате в Институте Фрица-Хабера в Берлине, Германия ».

Аппарат в Fritz-Haber-Institut позволил исследователям генерировать интенсивный пучок He или D2 с чрезвычайно узкой угловой расходимостью. Генерируемый пучок падает на решетку в условиях выпаса, следовательно, составляющая скорости частиц, перпендикулярная поверхности решетки, очень мала.

«В предыдущих экспериментах, проведенных в нашей лаборатории, мы наблюдали когерентное отражение и дифракцию от решетчатой ​​структуры в условиях падения«, — сказал Шёлкопф. «Это было приписано« квантовому отражению », которое является механизмом отражения, отличным от классического отражения».

В классическом отражении, когда атомы или молекулы приближаются к поверхности, на них действует сила Ван-дер-Ваальса на поверхности атома. Эта сила приводит к ускорению к поверхности, причем частица в конечном счете отскакивает от поверхности. С другой стороны, в квантовом отражении атомы или молекулы уже отскакивают от области в пространстве, где доминирует сила Ван-дер-Ваальса.

«Этот нелогичный квантовый эффект сил притяжения, эффективно приводящий к отдаче частицы, можно наблюдать только в том случае, если скорость падения в направлении, перпендикулярном поверхности, очень мала», — пояснил Шёлкопф. «Вот почему в нашем эксперименте мы можем наблюдать квантовое отражение только в условиях падающего падения».

Третий механизм отражения, который отличается от классического и квантового отражения, основан на дифракции волн де Бройля атомов или молекул от краев полуплоскостей, которые являются очень узкими выступами на поверхности. Этот механизм, впервые обнаруженный в Японии профессором Симидзу и его коллегами , теперь называют «дифракционным зеркалом Френеля» из-за его аналогии с дифракцией краев световых волн в оптике.

В своем исследовании Schöllkopf и его коллеги наблюдали полностью разрешенные дифракционные картины на волнах вещества, включая зеркальное отражение и дифрагированные лучи вплоть до второго дифракционного порядка. Они также обнаружили, что с уменьшением ширины полосы эффективность дифракции переходит от известного режима квантового отражения к режиму дифракции на краях.

«В нашем эксперименте мы наблюдали переход от квантового отражения для относительно большой ширины решетчатых полос к режиму при малых ширинах полос, где доминирует дифракция края», — сказал Шёлкопф. «Кроме того, в дополнение к зеркальному (зеркальному) отражению, замеченному ранее, мы наблюдали интенсивные решетки дифракционных пучков до второго порядка».

Экспериментальные данные, собранные исследователями, подтверждают ранее разработанную однопараметрическую модель, которая обычно используется для описания различных явлений, в том числе квантового бильярда, рассеяния радиоволн в городских районах и отражения волн материи от микроструктур. Более того, их наблюдения свидетельствуют о том, что ни классические, ни квантовые механизмы отражения не являются существенными для дифракции отражающей волны вещества от структурированного твердого тела, поскольку это может быть обусловлено исключительно дифракцией края полуплоскости.

«Наши наблюдения позволили нам провести количественный анализ эффективности отражения и дифракции», — сказал Phys.org Бум Сук Чжао из UNIST, главного исследователя исследования. «Это, в свою очередь, позволило провести экспериментальную проверку модели дифракции массива полуплоскостей по методу Богомольного-Шмита. Согласно описанию этой модели явление полностью масштабируемо относительно длины волны и размеров массива полуплоскости. В результате для данного угла падения рассеяние волн атомной материи длиной волны 1 нм де Бройля на массиве параллельных полуплоскостей с периодом 4 мкм демонстрирует идентичные дифракционные эффекты, как, например, рассеяние радиоволн на длине волны 1 см. волны от зданий, разделенных на 40 м.»

Исследование, проведенное Schöllkopf, Zhao и их коллегами, дает четкое подтверждение модели Богомольного-Шмита. В будущем их результаты могут также использоваться в качестве испытательного стенда для моделей квантового отражения от микроструктурированных поверхностей, которые должны учитывать дифракцию на краю полуплоскости. В своих следующих исследованиях исследователи планируют применить дифракцию массива полуплоскостей для исследования слабосвязанных молекул, таких как димер и тример He.

«Из-за их чрезвычайно малых энергий связи эти двух- и трехатомные молекулы гелия не поддаются многим экспериментальным инструментам», — объяснил Бум Сук Чжао. Например, классическое рассеяние Не 2 на твердой поверхности неизбежно приведет к разрушению. Чтобы преодолеть эти ограничения, необходимы дополнительные экспериментальные методы, позволяющие проводить неразрушающие манипуляции с этими видами. Дифракция массива полуплоскостей хорошо подходит метод для этой цели.»

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...