No Image

Эксперимент со светом и двумя щелями

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
22 января 2020

Михаил Петров

Никто в мире не понимает квантовую механику — это главное, что нужно о ней знать. Да, многие физики научились пользоваться ее законами и даже предсказывать явления по квантовым расчетам. Но до сих пор непонятно, почему присутствие наблюдателя определяет судьбу системы и заставляет ее сделать выбор в пользу одного состояния. «Теории и практики» подобрали примеры экспериментов, на исход которых неминуемо влияет наблюдатель, и попытались разобраться, что квантовая механика собирается делать с таким вмешательством сознания в материальную реальность.

Кот Шредингера

Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики, самой популярной среди которых остается копенгагенская. Ее главные положения в 1920-х годах сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. А центральным термином копенгагенской интерпретации стала волновая функция — математическая функция, заключающая в себе информацию обо всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она одновременно пребывает.

По копенгагенской интерпретации, доподлинно определить состояние системы, выделить его среди остальных может только наблюдение (волновая функция только помогает математически рассчитать вероятность обнаружить систему в том или ином состоянии). Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической: мгновенно перестает сосуществовать сразу во многих состояниях в пользу одного из них.

У такого подхода всегда были противники (вспомнить хотя бы «Бог не играет в кости» Альберта Эйнштейна), но точность расчетов и предсказаний брала свое. Впрочем, в последнее время сторонников копенгагенской интерпретации становится все меньше и не последняя причина тому — тот самый загадочный мгновенный коллапс волновой функции при измерении. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с как раз был призван показать абсурдность этого явления.

Итак, напоминаем содержание эксперимента. В черный ящик помещают живого кота, ампулу с ядом и некий механизм, который может в случайный момент пустить яд в действие. Например, один радиоактивный атом, при распаде которого разобьется ампула. Точное время распада атома неизвестно. Известен лишь период полураспада: время, за которое распад произойдет с вероятностью 50%.

Получается, что для внешнего наблюдателя кот внутри ящика существует сразу в двух состояниях: он либо жив, если все идет нормально, либо мертв, если распад произошел и ампула разбилась. Оба этих состояния описывает волновая функция кота, которая меняется с течением времени: чем дальше, тем больше вероятность, что радиоактивный распад уже случился. Но как только ящик открывается, волновая функция коллапсирует и мы сразу видим исход живодерского эксперимента.

Выходит, пока наблюдатель не откроет ящик, кот так и будет вечно балансировать на границе между жизнью и смертью, а определит его участь только действие наблюдателя. Вот абсурд, на который указывал Шредингер.

Дифракция электронов

По опросу крупнейших физиков, проведенному газетой The New York Times, опыт с дифракцией электронов, поставленный в 1961 году Клаусом Йенсоном, стал одним из красивейших в истории науки. В чем его суть?

Есть источник, излучающий поток электронов в сторону экрана-фотопластинки. И есть преграда на пути этих электронов — медная пластинка с двумя щелями. Какой картины на экране можно ожидать, если представлять электроны просто маленькими заряженными шариками? Двух засвеченных полос напротив щелей.

В действительности на экране появляется гораздо более сложный узор из чередующихся черных и белых полос. Дело в том, что при прохождении через щели электроны начинают вести себя не как частицы, а как волны (подобно тому, как и фотоны, частицы света, одновременно могут быть и волнами). Потом эти волны взаимодействуют в пространстве, где-то ослабляя, а усиливая друг друга, и в результате на экране появляется сложная картина из чередующихся светлых и темных полос.

При этом результат эксперимента не меняется, и если пускать электроны через щель не сплошным потоком, а поодиночке, даже одна частица может быть одновременно и волной. Даже один электрон может одновременно пройти через две щели (и это еще одно из важных положений копенгагенской интерпретации квантовой механики — объекты могут одновременно проявлять и свои «привычные» материальные свойства, и экзотические волновые).

Но при чем здесь наблюдатель? При том, что с ним и без того запутанная история стала еще сложнее. Когда в подобных экспериментах физики попытались зафиксировать с помощью приборов, через какую щель в действительности проходит электрон, картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос.

Электроны будто не захотели проявлять свою волновую природу под пристальным взором наблюдателя. Подстроились под его инстинктивное желание увидеть простую и понятную картинку. Мистика? Есть и куда более простое объяснение: никакое наблюдение за системой нельзя провести без физического воздействия на нее. Но к этому вернемся еще чуть позже.

Нагретый фуллерен

Опыты по дифракции частиц ставили не только на электронах, но и на куда больших объектах. Например, фуллеренах — крупных, замкнутых молекулах, составленных из десятков атомов углерода (так, фуллерен из шестидесяти атомов углерода по форме очень похож на футбольный мяч: полую сферу, сшитую из пяти- и шестиугольников).

Недавно группа из Венского университета во главе с профессором Цайлингером попыталась внести элемент наблюдения в подобные опыты. Для этого они облучали движущиеся молекулы фуллерена лазерным лучом. После, нагретые внешним воздействием, молекулы начинали светиться и тем неминуемо обнаруживали для наблюдателя свое место в пространстве.

Вместе с таким нововведением поменялось и поведение молекул. До начала тотальной слежки фуллерены вполне успешно огибали препятствия (проявляли волновые свойства) подобно электронам из прошлого примера, проходящим сквозь непрозрачный экран. Но позже, с появлением наблюдателя, фуллерены успокоились и стали вести себя как вполне законопослушные частицы материи.

Охлаждающее измерение

Одним из самых известных законов квантового мира является принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно установить положение и скорость квантового объекта. Чем точнее измеряем импульс частицы, тем менее точно можно измерить ее положение. Но действие квантовых законов, работающих на уровне крошечных частиц, обычно незаметно в нашем мире больших макрообъектов.

Потому тем ценнее недавние эксперименты группы профессора Шваба из США, в которых квантовые эффекты продемонстрировали не на уровне тех же электронов или молекул фуллерена (их характерный диаметр — около 1 нм), а на чуть более ощутимом объекте — крошечной алюминиевой полоске.

Эту полоску закрепили с обеих сторон так, чтобы ее середина была в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом с полоской находился прибор, способный с высокой точностью регистрировать ее положение.

В результате экспериментаторы обнаружили два интересных эффекта. Во-первых, любое измерение положения объекта, наблюдение за полоской не проходило для нее бесследно — после каждого измерения положение полоски менялось. Грубо говоря, экспериментаторы с большой точностью определяли координаты полоски и тем самым, по принципу Гейзенберга, меняли ее скорость, а значит и последующее положение.

Во-вторых, что уже совсем неожиданно, некоторые измерения еще и приводили к охлаждению полоски. Получается, наблюдатель может лишь одним своим присутствием менять физические характеристики объектов. Звучит совсем невероятно, но к чести физиков скажем, что они не растерялись — теперь группа профессора Шваба думает, как применить обнаруженный эффект для охлаждения электронных микросхем.

Читайте также:  Японские мультфильмы для детей 10 лет

Замирающие частицы

Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются в мире не только ради экспериментов над котами, но и вполне сами по себе. При этом каждая частица характеризуется средним временем жизни, которое, оказывается, может увеличиваться под пристальным взором наблюдателя.

Впервые этот квантовый эффект предсказали еще в 1960-х годах, а его блестящее экспериментальное подтверждение появилось в статье, опубликованной в 2006 году группой нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.

В этой работе изучали распад нестабильных возбужденных атомов рубидия (распадаются на атомы рубидия в основном состоянии и фотоны). Сразу после приготовления системы, возбуждения атомов за ними начинали наблюдать — просвечивать их лазерным пучком. При этом наблюдение велось в двух режимах: непрерывном (в систему постоянно подаются небольшие световые импульсы) и импульсном (система время от времени облучается импульсами более мощными).

Полученные результаты отлично совпали с теоретическими предсказаниями. Внешние световые воздействия действительно замедляют распад частиц, как бы возвращают их в исходное, далекое от распада состояние. При этом величина эффекта для двух исследованных режимов также совпадает с предсказаниями. А максимально жизнь нестабильных возбужденных атомов рубидия удалось продлить в 30 раз.

Электроны и фуллерены перестают проявлять свои волновые свойства, алюминиевые пластинки охлаждаются, а нестабильные частицы замирают в своем распаде: под всесильным взором наблюдателя мир меняется. Чем не свидетельство вовлеченности нашего разума в работу мира вокруг? Так может быть правы были Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийcкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из пионеров квантовой механики), когда говорили, что законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие?

Но так остается только один шаг до дежурного признания: весь мир вокруг суть иллюзорное порождение нашего разума. Жутковато? («Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на нее смотрите?» — комментировал Эйнштейн принципы квантовой механики). Тогда попробуем вновь обратиться к физикам. Тем более, в последние годы они все меньше жалуют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики с ее загадочным коллапсом волной функции, на смену которому приходит другой, вполне приземленный и надежный термин — декогеренция.

Дело вот в чем — во всех описанных опытах с наблюдением экспериментаторы неминуемо воздействовали на систему. Подсвечивали ее лазером, устанавливали измеряющие приборы. И это общий, очень важный принцип: нельзя пронаблюдать за системой, измерить ее свойства не провзаимодействовав с ней. А где взаимодействие, там и изменение свойств. Тем более, когда с крошечной квантовой системой взаимодействуют махины квантовых объектов. Так что вечный, буддистский нейтралитет наблюдателя невозможен.

Как раз это объясняет термин «декогеренция» — необратимый с точки зрения термодинамики процесс нарушения квантовых свойств системы при ее взаимодействии с другой, крупной системой. Во время такого взаимодействия квантовая система утрачивает свои изначальные черты и становится классической, «подчиняется» системе крупной. Этим и объясняется парадокс с котом Шредингера: кот представляет собой настолько большую систему, что его просто нельзя изолировать от мира. Сама постановка мысленного эксперимента не совсем корректна.

В любом случае, по сравнению с реальностью как актом творения сознания, декогеренция звучит куда более спокойно. Даже, может быть, слишком спокойно. Ведь с таким подходом весь классический мир становится одним большим эффектом декогеренции. А как утверждают авторы одной из самых серьезных книг в этой области, из таких подходов еще и логично вытекают утверждения вроде «в мире не существует никаких частиц» или «не существует никакого времени на фундаментальном уровне».

Созидающий наблюдатель или всесильная декогеренция? Приходится выбирать из двух зол. Но помните — сейчас ученые все больше убеждаются, что в основе наших мыслительных процессов лежат те самые пресловутые квантовые эффекты. Так что где заканчивается наблюдение и начинается реальность — выбирать приходится каждому из нас.

Квантовая механика
Δ x ⋅ Δ p x ⩾ ℏ 2 <displaystyle Delta xcdot Delta p_geqslant <frac <hbar ><2>>>
См. также: Портал:Физика

Опыт Юнга (эксперимент на двух щелях, также известный как двухщелевой интерферометр Юнга) — первый вариант двухщелевого опыта, проведённого Томасом Юнгом, который демонстрирует интерференцию и дифракцию света, что является доказательством справедливости волновой теории света. Результаты эксперимента были опубликованы в 1803 году.

Содержание

Описание опыта [ править | править код ]

В опыте пучок монохроматического света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями (щелями), позади которого устанавливается проекционный экран. Ширину прорезей стараются сделать как можно ближе к длине волны излучаемого света (влияние ширины прорезей на интерференцию рассматривается ниже). На проекционном экране получается целый ряд чередующихся интерференционных полос, что и было продемонстрировано Томасом Юнгом.

Если исходить из того, что свет состоит из частиц (корпускулярная теория света), то на проекционном экране можно было бы увидеть только две параллельные полосы света, прошедшие через щели. Между ними проекционный экран оставался бы практически неосвещённым.

С другой стороны, если предположить, что свет представляет собой распространяющиеся волны (волновая теория света), то, согласно принципу Гюйгенса, каждая щель является источником вторичных волн.

Вторичные волны достигнут точек, находящихся на равном удалении от щелей, в одной фазе, следовательно, на серединной линии экрана их амплитуды сложатся, что создаст максимум яркости. То есть, главный, наиболее яркий максимум окажется там, где, согласно корпускулярной теории, яркость должна быть нулевой. Боковые максимумы расположатся симметрично по обеим сторонам в точках, для которых разность хода световых пучков равна целому числу волн.

С другой стороны, в тех точках на удалении от центральной линии, где разность хода равна нечётному числу полуволн, волны окажутся в противофазе — их амплитуды компенсируются, что создаст минимумы яркости (тёмные полосы).

Таким образом, по мере удаления от средней линии яркость периодически изменяется, возрастая до максимума и снова убывая.

Условия для интерференции [ править | править код ]

Когерентность источника света [ править | править код ]

Интерференцию возможно наблюдать только для когерентных источников света, но создать два различных когерентных источника практически невозможно. Поэтому все интерференционные опыты базируются на создании при помощи различных оптических систем двух или нескольких вторичных источников из одного первичного, каковые будут когерентны. В опыте Юнга когерентными источниками являются две щели в экране.

Влияние ширины щелей [ править | править код ]

Интерференционная картина возникает на экране, когда ширина щелей приближается к длине волны излучаемого монохроматического света. Если ширину прорезей увеличивать, то освещённость экрана будет возрастать, но выраженность минимумов и максимумов интерференционной картины будет падать вплоть до полного её исчезновения.

Влияние расстояния между щелями [ править | править код ]

Частота следования интерференционных полос увеличивается прямо-пропорционально расстоянию между щелями, в то время как ширина дифракционной картины остаётся неизменной и зависит только от ширины щелей.

Эксперимент с точечным источником света [ править | править код ]

Пусть S — точечный источник света, расположенный перед экраном с двумя параллельными щелями S 1 <displaystyle S_<1>> и S 2 <displaystyle S_<2>> , а — расстояние между щелями, и D — расстояние между щелями и проекционным экраном.

Точка М на экране характеризуется одной координатой x — расстоянием между М и ортогональной проекцией S на экране.

Читайте также:  Что делать если пропала оперативная память

Пусть в М падают одновременно два пучка из S 1 <displaystyle S_<1>> и S 2 <displaystyle S_<2>> . Считая, что опыт производится в однородной среде, заменим оптическую разность хода на геометрическую:

δ = ( S 2 M ) − ( S 1 M ) <displaystyle delta =(S_<2>M)-(S_<1>M)>

где δ <displaystyle delta > — геометрическая разность хода.

Из прямоугольных треугольников:

S 1 M 2 = D 2 + ( x − a / 2 ) 2 <displaystyle S_<1>M^<2>=D^<2>+(x-a/2)^<2>>

S 2 M 2 = D 2 + ( x + a / 2 ) 2 <displaystyle S_<2>M^<2>=D^<2>+(x+a/2)^<2>>

S 1 M 2 − S 2 M 2 = ( S 1 M − S 2 M ) ( S 1 M + S 2 M ) = δ ( S 1 M + S 2 M ) <displaystyle S_<1>M^<2>-S_<2>M^<2>=(S_<1>M-S_<2>M)(S_<1>M+S_<2>M)=delta (S_<1>M+S_<2>M)>

δ = S 1 M 2 − S 2 M 2 S 1 M + S 2 M = [ D 2 + ( x − a / 2 ) 2 ] − [ D 2 + ( x + a / 2 ) 2 ] S 1 M + S 2 M = ( x − a / 2 ) 2 − ( x + a / 2 ) 2 S 1 M + S 2 M <displaystyle delta =<1>M^<2>-S_<2>M^ <2>over S_<1>M+S_<2>M>=<[D^<2>+(x-a/2)^<2>]-[D^<2>+(x+a/2)^<2>] over S_<1>M+S_<2>M>=<(x-a/2)^<2>-(x+a/2)^ <2>over S_<1>M+S_<2>M>>

δ = x 2 − a x + a 2 / 4 − x 2 − a x − a 2 / 4 S 1 M + S 2 M = − 2 a x S 1 M + S 2 M <displaystyle delta =<2>-ax+a^<2>/4-x^<2>-ax-a^<2>/4 over S_<1>M+S_<2>M>=<-2ax over S_<1>M+S_<2>M>>

Для описания интерференционной картины важна лишь абсолютная величина разности хода, так что знак минус можно опустить.

Если a S 1 M + S 2 M ≈ 2 D <displaystyle S_<1>M+S_<2>Mapprox 2D> и

δ = x a D = x tan ⁡ ϕ <displaystyle delta =x=x an phi >

где ϕ <displaystyle phi > — угол, под которым данная точка «видна» из щелей.

Яркие полосы — интерференционные максимумы — появляются, когда разность хода равна целому числу длин волн δ = p λ <displaystyle delta =plambda > , где p <displaystyle p> — целое.

Тёмные полосы — минимумы — при разности хода, равной нечётному числу полуволн: δ = 2 p + 1 2 λ . <displaystyle delta =<frac <2p+1><2>>lambda .>

Освещённость — Е в точке М связана с разницей оптической длины путей следующим соотношением:

E = 2 E 0 [ 1 + c o s ( 2 π δ ( M ) λ ) ] <displaystyle E=2E_<0>left[1+cosleft(<frac <2pi delta (M)><lambda >>
ight)
ight]>

  • E 0 <displaystyle E_<0>>освещённость, созданная первой или второй прорезью;
  • λ <displaystyle lambda >— длина волны света, излучаемого источниками S 1 <displaystyle S_<1>>и S 2 <displaystyle S_<2>>.

Освещённость, таким образом, периодически изменяется от нуля до 4 E 0 <displaystyle 4E_<0>> , что свидетельствует об интерференции света. Интерференционная картина симметрична относительно максимума с x = 0 ( p = 0 ; ϕ = 0 ) <displaystyle x=0(p=0;phi =0)> который называется «главным» или «центральным».

При использовании немонохроматического света максимумы и минимумы для разных длин волн оказываются смещены друг относительно друга, и наблюдаются спектральные полосы.

Интерференция и квантовая теория [ править | править код ]

Каждое событие, как, например, прохождение света от источника S до точки M на экране через отверстие S 1 <displaystyle S_<1>> может быть представлено в виде вектора V → 1 . <displaystyle <vec >_<1>.>

Для того, чтобы знать вероятность того, что свет дойдёт из источника S до точки M, нужно брать во внимание все возможные пути света из точки S до точки М. В квантовой механике этот принцип является фундаментальным. Для получения вероятности P того, что свет дойдёт из точки S до точки М, используется следующая аксиома квантовой механики:

P = | ϕ 1 + ϕ 2 | 2 <displaystyle P=|phi _<1>+phi _<2>|^<2>> ,

Изменение фазы подобно вращению векторов. Сумма двух векторов изменяется от нуля до максимума 2 V 1 <displaystyle 2V_<1>> .

Демонстрация [ править | править код ]

Схема Юнга не относится к числу светосильных, демонстрирование её поэтому затруднено.

Со светом [ править | править код ]

Опыт Юнга с двумя щелями повторить вне лаборатории непросто, так как непросто изготовить подходящей ширины щели. Однако с успехом можно воспроизвести самыми простыми средствами опыт интерференции от двух малых отверстий, суть происходящих при этом физических явлений не изменяется.

Постановка опыта такова: в фольге от шоколадки следует самой тонкой швейной (лучше бисерной) новой иглой проделать два чрезвычайно тонких отверстия как можно ближе друг к другу. Не следует пропускать иглу насквозь, нужно лишь наколоть отверстия самым кончиком. Далее в хорошо затемнённой комнате осветить место проколов мощным источником света. Удобно воспользоваться лазерной указкой, так как её свет монохроматичен. На экране, расположенном в 0,5—1 метре удаётся наблюдать дифракционную картину и интерференционные полосы.

С механическими волнами [ править | править код ]

Опыт Юнга хорошо демонстрируется для большой аудитории в проекции на экран из волновой ванны, входящей в оборудование физических кабинетов. Чрезвычайно полезно освещать ванну стробоскопом.

В 1803 году некий джентльмен опубликовал труд, в котором описывал эксперимент, доказывающий волновую теорию света. Этим джентльменом был Томас Юнг, а его опыт носил название «эксперимент с двумя щелями». Прошло уже более двух веков, но опыт Юнга не был забыт и даже стал фундаментом нового метода рентгеновской спектроскопии, который позволяет более детально изучить физические свойства твердого тела. Итак, почему опыт Юнга считается одним из основополагающих в физике, как его применили современные ученые и что у них из этого получилось мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Как уже было сказано, в далеком 1803 году Томас Юнг опубликовал описание своего необычного эксперимента. И поскольку «кто не знает прошлого, не имеет будущего», мы коротенько этот опыт с вами рассмотрим.


Томас Юнг

Итак, для проведения опыта было необходимо всего три вещи: свет, пластина с двумя вертикальными прорезями и проекционный экран. При этом световое излучение было монохроматическим, то есть обладало минимальным частотным разбросом. Свет направляется на пластину со щелями, ширина которых должна быть максимально приближена к длине волны излучения. А проекционный экран необходим для наблюдения за результатом.

И тут возникает столкновение двух теорий света — корпускулярной и волновой.

Первая предполагает, что свет состоит из частиц. А вторая — что это волна. Опираясь на каждую из этих теорий мы должны получить разный результат в опыте Юнга.

А теперь подключим немного фантазии. Представьте, что вы играете в страйкбол с нашей опытной ширмой с прорезями (да, противник из нее не очень, но суть не в этом). Вы стреляете из ружья шариками, часть которых отскакивает от ширмы, а часть проходит через прорези и попадает в проекционный экран. Ружье — источник светового излучения. Шарики — частицы света. Таким образом на экране мы видим две полоски, то есть две области попадания из ружья.


Схематическое изображение опыта Юнга.

С волновой теорией все еще интереснее, потому потребуется еще больше фантазии. Теперь вы играете в межгалактический страйкбол, а ваше ружье, простите, ваш бластер стреляет волнами. Когда вы стреляете волной в ширму, две прорези становятся началом (источником) двух новых вторичных волн, которые уже за ширмой будут пересекаться. И тут мы будем видеть на экране сразу несколько разных результатов (областей «попадания»). Этот результат и есть интерференция света, но он требует определенных условий.

Во-первых, источники света (в опыте их два) должны быть когерентными, то есть согласованными. Создать два согласованных световых излучения проблематично, мягко говоря. Посему используется один луч света, который разделяется на два за счет той самой ширмы с прорезями. Так мы имитируем когерентность за счет вторичных волн первичного светового излучения.

Во-вторых, важную роль играет ширина прорезей, так как при ее увеличении будет расти освещенность экрана, то есть сложнее будет различить максимумы и минимумы интерференционной картины. Посему ширина должна быть максимально приближена к длине волны излучения.

И в-третьих, расстояние между прорезями влияет на частоту следования интерференционных полос.

В итоге Томас Юнг не только предоставил доказательства интерференции света, но и породил еще больше споров между сторонниками двух теорий, корпускулярной и волновой.

На самом же деле опыт Юнга никого особо не ссорил (я надеюсь, ибо ученые тоже могут быть драчунами), а скорее подтолкнул к еще более глубокому изучению света, его особенностей и способов его пояснения.

Читайте также:  Увеличивается расход топлива на форуме

С ростом интереса к квантовой физике опыт Юнга получил еще одну теорию в свою копилку — квантовую. И тут нам фантазия не сильно поможет, поскольку крайне сложно представить себе шарик для страйкбола, способный одновременно быть и частицей, и волной, и разделяться, и соединяться, и черт знает что еще делать. Суть такова — ученые решили провести эксперимент Юнга с электроном, использовав его вместо света.

Ученые «выстреливали» по одному электрону, чтобы у них не было возможности взаимодействовать друг с другом. На пути у них была такая же ширма с двумя прорезями, как и в классическом опыте Юнга, а потом экран для визуализации результатов.

По логике, одиночные электроны, попавшие в прорези, должны сформировать на экране две области попадания, то есть как в корпускулярной теории. Однако мы знаем, что квантовая теория и классическая логика частенько расходятся. Результатом опыта с электронами было множество областей попадания, то есть как в волновой теории. Другими словами, электрон является и частицей, и волной (волна де Бройля, если точнее) одновременно. Таким образом электрон находится в состоянии квантовой суперпозиции, то есть обладает сразу несколькими состояниями, которые невозможно реализовать одновременно с точки зрения классической физики. Да уж, порой кажется, что классическая и квантовая физики это Людвиг ван Бетховен и Оззи Осборн — оба крутые, но во многом очень разные.


Томас Юнг видимо и представить не мог как далеко зайдет его опыт, и как много нового он может рассказать. А сейчас мы рассмотрим уже деяния наших современников, решивших применить опыт Томаса Юнга для реализации нового типа рентгеновской спектроскопии.

Ярким примером принадлежности чего-то и к частицам, и к волнам в квантовой механике является неупругое рассеяние рентгеновского излучения (RIXS). С точки зрения частиц в RIXS рентгеновский фотон выталкивает электрон из ядра атома в валентную оболочку. В этот момент образуется высоковозбужденное атомное состояние, в котором имеется очень локализованная «пустота» размером в несколько пикометров. Такое промежуточное состояние очень быстро распадается, чему соответствует тот факт, что пустота заполняется валентным электроном при переизлучении фотона. Конечное же возбужденное состояние может соответствовать орбитальному, магнитному или межзонному возбуждению.

Исследователи же фокусируются на изучении рентгеновских волн, распространяющихся через вышеупомянутое локализованное промежуточное состояние, а после образующих интерференцию.

Ученые переносят нас немного в прошлое, точнее в 90-ые годы. По их словам уже тогда стало очевидно — даже если в RIXS рассеяние неупругое, а дыра в ядре атома (лучше назвать это термином «вакансия») очень локальна, то все равно амплитуды ее образования и аннигиляции должны быть когерентно суммированы при задействовании идентичных ионов, участвующих в делокализации финального состояния возбуждения. Вследствие всего этого возможна интерференция.


Изображение №1

И вот уже в 1994 году было предположено проявление интерференции для RIXS в двухатомных молекулах, что соответствует опыту Юнга. Это возможно за счет того, что промежуточное состояние RIXS содержит единственную вакансию ядра, которая может быть на любом из двух атомов в молекуле (изображение №1). В конечном состоянии электрон находится на возбужденной молекулярной орбитали, которая делокализована по двум атомам. Рентгеновское же излучение создает интерференцию в виде синусоидального интерференционного колебания на графике.

В качестве основного подопытного был выбран Ba3CeIr2O9 (BCIO) — изолятор, который является кристаллическим твердым телом с квазимолекулярной электронной структурой (). Такие характеристики позволяют значительно четче рассмотреть интерференцию, являющуюся ярким признаком симметрии низкоэнергетических электронных возбуждений.

Итак, для начала ученые вырастили индивидуальные кристаллы BCIO. Каждый из Ir 4+ ионов внутри структурных димеров показал 5d 5 конфигурацию с одной вакансией в t2g оболочке.


Изображение №2

Ученые отмечают, что минимальное расстояние между соседствующими ионами (Ir-Ir) составило 2.5 Å. Соответственно, внутридимерное ионное взаимодействие достаточно сильно и способствует формированию квази-молекулярных орбиталей с сильным связывающим-антисвязывающим расщеплением. Такая ситуация очень сильно отличается от той, когда имеется один Ir 4+ , когда сильная спин-орбитальная связь (λ ≈ 0.4-0.5 эВ) разделяет локальное t2g-многообразие и приводит к спин-орбитальным-запутанным j = 1/2 моментам ().

В случае сильного спин-орбитального взаимодействия связывающие/антисвязывающие состояния могут формироваться из спин-орбитального-запутанного j = 1/2 состояния (2D). Однако сильное Ir-Ir взаимодействие может погасить j = 1/2 моменты. В таком случае t2g орбитали становятся куда более подходящей основой для формирования связывающих/антисвязывающих состояний ().


Изображение №3

На изображении мы можем увидеть результаты RIXS образца Ba3CeIr2O9 при фиксированном излучении, настроенном на L3 край Ir (2p→5d), что резонансно усиливает неупругое рассеяние от возбуждений внутри t2g. 5d t2g — e δ g расщепление выше 3 эВ, при этом наблюдаемые функции (a, B и ℽ на графике) находятся в диапазоне 0.5 … 1.5 эВ. Таким образом их можно отнести к внутре-t2g возбуждениям. Также стоит отметить, что на графике нет характерных для индивидуальных j = 1/2 моментов особенностей, а пик спин-орбитального возбуждения достигает максимума в 1.5 λ.

Исследователи отмечают еще одно важное наблюдение: интегральная интенсивность функций демонстрирует ярко выраженные особенности интерференции двух лучей, другими словами четкое синусоидальное колебание как функции qc (3B). Таким образом мы получили опыт Юнга, только в данном случае вместо расстояния между прорезями мы имеем расстояние между ионами (Ir-Ir).

Данное исследование — одно из самых сложных из тех, что я встречал, посему настоятельно рекомендую ознакомиться с докладом ученых и дополнительными материалами к нему, если вас интересуют детали, нюансы и подробности сего труда.

Ученые считают, что самой важной особенностью RIXS интерферометрии является возможность определять симметрию низкоэнергетических возбуждений, что помогает отличить два разных варианта орбиталей, описанных на изображениях 2С и 2D.

Конечно, на этом исследование нового метода рентгеновской спектроскопии не завершится, ведь ученые только слегка описали вершину айсберга. Дальнейшие эксперименты с другими типами материалов могут открыть новые пути реализации сей техники. В любом случае совершенствование новейших методик исследования физических свойств даже уже изученных (якобы) объектов это дело благое.

К тому же, данное исследование стало наглядным примером того, что открытия и наблюдения, совершенные несколько веков назад еще способны не только удивлять, но и быть невероятно полезными для создания новых технологий, методик и т.д.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими, несмотря на сложность заинтересовавшего вас материала :), и отличной всем рабочей недели, ребята.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до весны бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector