Klassisk eksperiment med dobbelt slids i nyt lys

Et internationalt forskerhold ledet af fysikere fra universitetet i Köln har implementeret en ny variant af det grundlæggende dobbeltspalteeksperiment ved hjælp af resonant uelastisk røntgenspredning ved European Synchrotron ESRF i Grenoble. Denne nye variant giver en dybere forståelse af den elektroniske struktur af faste stoffer. Skriver ind Videnskab fremskridt , forskergruppen har nu præsenteret deres resultater i en undersøgelse med titlen "Resonant uelastisk røntgeninkarnation af Youngs dobbeltspalteeksperiment."

Det dobbeltspalteeksperiment er af grundlæggende betydning i fysikken. For mere end 200 år siden, Thomas Young diffrakterede lys ved to tilstødende slidser, derved genererer interferensmønstre (billeder baseret på superposition) bag denne dobbelte spalte. Dermed, han demonstrerede lysets bølgetype. I det 20. århundrede, forskere har vist, at elektroner eller molekyler spredt på en dobbelt spalte viser det samme interferensmønster, som modsiger den klassiske forventning om partikeladfærd, men kan forklares i kvantemekanisk bølge-partikel dualisme. I modsætning, forskerne i Köln undersøgte en iridiumoxidkrystal (Ba ₃ CeIr ₂ O ₉ ) ved hjælp af resonant uelastisk røntgenspredning (RIXS).

Krystallen bestråles med stærkt kollimeret, høj-energi røntgenfotoner. Røntgenstrålerne spredes af iridiumatomerne i krystallen, som overtager slidsernes rolle i Youngs klassiske eksperiment. På grund af den hurtige tekniske udvikling af RIXS og et dygtigt valg af krystalstruktur, fysikerne blev observeret spredning på to tilstødende iridiumatomer, en såkaldt dimer.

"Interferensmønsteret fortæller os meget om spredningsobjektet, dimeren dobbelt spalte, "siger professor Markus Grueninger, der leder forskningsgruppen ved universitetet i Köln. I modsætning til det klassiske dobbeltspalteeksperiment, de uelastisk spredte røntgenfotoner giver information om dimerens ophidsede tilstande, især deres symmetri, og dermed om faststofets dynamiske fysiske egenskaber.

Disse RIXS-eksperimenter kræver en moderne synkrotron som en ekstremt strålende røntgenlyskilde og et sofistikeret eksperimentelt setup. For specifikt at ophidse kun iridiumatomer, forskere skal vælge den meget lille andel af fotoner med den rigtige energi fra synkrotronens brede spektrum, og de spredte fotoner vælges endnu mere strengt i henhold til energi og spredningsretning. Kun få fotoner er tilbage. Med den krævede nøjagtighed, disse RIXS -eksperimenter er i øjeblikket kun mulige ved to synkrotroner verden over, herunder ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) i Grenoble, hvor teamet fra Köln gennemførte deres eksperiment.

"Med vores RIXS -eksperiment, vi var i stand til at bevise en grundlæggende teoretisk forudsigelse fra 1994. Dette åbner en ny dør for en hel række yderligere forsøg, der giver os mulighed for at få en dybere forståelse af faststoffers egenskaber og funktionaliteter, "siger Grueninger.