Iagttagelse af materie-bølgediffraktion fra et periodisk array af halve planer

Forskere ved Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), i Korea, og Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, i Tyskland, har for nylig gennemført en undersøgelse, der undersøger stofbølgediffraktion fra en periodisk række halve fly. Deres papir, udgivet den Fysisk gennemgangsbreve ( PRL ), rapporterer om refleksion og diffraktion af He og D ₂ bjælker fra firkantbølgerister i en periode på 400 μm og strimmelbredder fra 10 til 200 μm ved græsningstilfælde.

"Vores eksperiment er baseret på bølge -partikel -dualiteten, som er et grundbegreb i kvantemekanik, "Wieland Schöllkopf, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Tanken om, at mikroskopiske partikler som elektroner, neutroner, atomer eller endda molekyler udviser bølgelignende adfærd helt tilbage til 1920'erne, da Louis de Broglie introducerede partikelbølgelængden, som i dag omtales som 'de Broglie -bølgelængden.' "

Siden de Broglie først udviklede sin teori, forskere har udført adskillige forsøg med at observere diffraktion og interferens, to bølgefænomener, der ikke kan forklares i et partikelbillede. Hovedformålet med undersøgelsen udført af Schöllkopf og hans kolleger var at undersøge nye stofbølgediffraktionsmetoder, der muliggør sammenhængende manipulation af atom- og molekylære stråler.

"Vi observerede diffraktion af He -atomer og D ₂ molekyler, der spredes fra en gitterstruktur, "Schöllkopf forklaret." Sidstnævnte er dannet af et periodisk array af polymerfilm struktureret på et guldbelagt glasunderlag. En række forskellige gitterstrukturer, alle med samme periode, men forskellig i bredden af ​​polymerstriberne, blev lavet på UNIST i Ulsan, Korea. Disse gitre blev brugt i diffraktionsapparatet ved Fritz-Haber-Institut i Berlin, Tyskland. "

Apparatet ved Fritz-Haber-Institut tillod forskerne at generere en intens stråle af He eller D. ₂ med ekstremt snæver kantet divergens. Den genererede stråle rammer risten under græsningsforhold, derfor, partiklernes hastighedskomponent vinkelret på gitteroverfladen er meget lille.

"I tidligere forsøg udført på vores laboratorium, vi har observeret sammenhængende refleksion og diffraktion fra en gitterstruktur under græsningsforhold, "Sagde Schöllkopf." Dette blev tilskrevet 'kvanterefleksion, 'som er en refleksionsmekanisme, der er forskellig fra klassisk refleksion. "

I klassisk refleksion, når atomer eller molekyler nærmer sig en overflade, de påvirkes af atom-overflade van der Waals kraft. Denne kraft fører til en acceleration mod overfladen, med partiklen, der i sidste ende hopper af fra overfladen. På den anden side, i kvanterefleksion, atomer eller molekyler hopper allerede tilbage fra regionen i rummet domineret af van der Waals -kraften.

"Denne kontra-intuitive kvanteeffekt af attraktive kræfter, resulterer effektivt i rekyl af partiklen, kan kun observeres, hvis hændelseshastigheden i retningen vinkelret på overfladen er meget lille, "Schöllkopf forklarede." Det er derfor, i vores eksperiment, vi kan kun observere kvanterefleksion ved nær græsningstilstande. "

En tredje refleksionsmekanisme, som adskiller sig fra klassisk og kvanterefleksion, er baseret på diffraktionen af ​​de Broglie -bølger af atomer eller molekyler fra kanterne på halve planer, som er meget smalle kamme på en overflade. Denne mekanisme, første gang observeret i Japan af Prof. Shimizu og hans kolleger, betegnes nu som "Fresnel diffraktionsspejl" på grund af dens analogi med kantdiffraktion af lysbølger i optik.

I deres undersøgelse, Schöllkopf og hans kolleger observerede fuldstændigt løste materie-bølgediffraktionsmønstre, herunder spejlreflektion og diffrakterede bjælker op til den anden diffraktionsorden. De fandt også ud af, at efterhånden som strimmelbredden faldt, diffraktionseffektivitet transformeret fra det kendte kvanterefleksionsregime til kantdiffraktionsregime.

"I vores eksperiment, vi observerede overgangen fra kvanterefleksion for relativt store bredder af gitterstriberne til regimet ved små stribbredder, hvor kantdiffraktion dominerer, "Sagde Schöllkopf." Desuden ud over den spekulære (spejllignende) refleksion set tidligere, vi observerede intense gitterdiffraktionsstråler op til anden orden. "

De eksperimentelle fund indsamlet af forskerne bekræfter en tidligere udviklet enkeltparameter-model, som ofte bruges til at beskrive en række fænomener, herunder kvantebillard, spredning af radiobølger i byområder og refleksion af stofbølger fra mikrostrukturer. I øvrigt, deres observationer tyder på, at hverken klassiske eller kvanterefleksionsmekanismer er afgørende for den reflekterende diffraktion af stofbølger fra et struktureret fast stof, da dette udelukkende kan stamme fra halvplan kantdiffraktion.

"Vores observationer tillod os at foretage en kvantitativ analyse af refleksion og diffraktionseffektivitet, "Bum Suk Zhao fra UNIST, undersøgelsens principielle efterforsker, fortalte Phys.org. "Det her, på tur, tilladt en eksperimentel test af Bogomolny-Schmit-modellen med halvplan array-diffraktion. Ifølge denne modelbeskrivelse er fænomenet fuldt skalerbart med hensyn til bølgelængden og dimensionerne af halvplanarrayet. Som resultat, for en given indfaldsvinkel, spredningen af ​​atomiske bølger på 1 nm de Broglie-bølgelængde fra en 4 μm-periode array af parallelle halvplaner viser identiske diffraktionseffekter som, f.eks., spredning af 1 cm-bølgelængde radiobølger fra bygninger adskilt med 40 m. "

Undersøgelsen foretaget af Schöllkopf, Zhao og deres kolleger giver en klar bekræftelse af Bogomolny-Schmit-modellen. I fremtiden, deres fund kunne også bruges som en testbænk til modeller for kvantereflektion fra mikrostrukturerede overflader, der skal tage højde for halvplan kantdiffraktion. I deres næste undersøgelser, forskerne planlægger at anvende half-plane array diffraktion til undersøgelse af svagt bundne molekyler, såsom He dimeren og trimeren.

"På grund af deres ekstremt små bindingsenergier, disse di- og triatomiske heliummolekyler er ikke modtagelige for mange eksperimentelle værktøjer, "Bum Suk Zhao forklaret." For eksempel, klassisk spredning af Han ₂ fra en fast overflade vil uundgåeligt føre til brud. For at overvinde disse begrænsninger, flere eksperimentelle teknikker, der muliggør ikke-destruktiv manipulation af disse arter, er nødvendige. Half-plane array diffraktion er en velegnet metode til dette formål. "

© 2019 Science X Network