En internationell forskargrupp ledd av fysiker från Kölns universitet har implementerat en ny variant av det grundläggande dubbelslitsexperimentet med resonant oelastisk röntgenspridning vid European Synchrotron ESRF i Grenoble. Denna nya variant ger en djupare förståelse för den elektroniska strukturen hos fasta ämnen. Skriver in Vetenskapens framsteg , forskargruppen har nu presenterat sina resultat i en studie med titeln "Resonant inelastic X-ray incarnation of Youngs double-slit experiment."

Dubbelslitsexperimentet är av grundläggande betydelse inom fysiken. För mer än 200 år sedan, Thomas Young böjde ljus vid två intilliggande slitsar, genererar således interferensmönster (bilder baserade på superposition) bakom denna dubbla slits. Således, han demonstrerade ljusets vågnatur. På 1900-talet, forskare har visat att elektroner eller molekyler spridda på en dubbel slits visar samma interferensmönster, som motsäger den klassiska förväntan på partikelbeteende, men kan förklaras i kvantmekanisk våg-partikeldualism. I kontrast, forskarna i Köln undersökte en iridiumoxidkristall (Ba ₃ CeIr ₂ O ₉ ) med hjälp av resonant oelastisk röntgenspridning (RIXS).

Kristallen bestrålas med starkt kollimerad, högenergiröntgenfotoner. Röntgenstrålningen sprids av iridiumatomerna i kristallen, som tar över rollen som slitsarna i Youngs klassiska experiment. På grund av den snabba tekniska utvecklingen av RIXS och ett skickligt val av kristallstruktur, fysikerna observerades spridningen på två intilliggande iridiumatomer, en så kallad dimer.

"Interferensmönstret säger oss mycket om det spridande objektet, den dimer dubbla slitsen, säger professor Markus Grueninger, som leder forskargruppen vid universitetet i Köln. I motsats till det klassiska dubbelslitsexperimentet, de oelastiskt spridda röntgenfotonerna ger information om dimerens exciterade tillstånd, i synnerhet deras symmetri, och därmed om det fasta ämnets dynamiska fysikaliska egenskaper.

Dessa RIXS-experiment kräver en modern synkrotron som en extremt briljant röntgenljuskälla och en sofistikerad experimentuppställning. För att specifikt excitera endast iridiumatomerna, forskare måste välja ut den mycket lilla andelen fotoner med rätt energi från synkrotronens breda spektrum, och de spridda fotonerna väljs ännu mer strikt efter energi och spridningsriktning. Endast ett fåtal fotoner finns kvar. Med den noggrannhet som krävs, dessa RIXS-experiment är för närvarande endast möjliga vid två synkrotroner över hela världen, inklusive ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) i Grenoble, där teamet från Köln genomförde sitt experiment.

"Med vårt RIXS-experiment, vi kunde bevisa en grundläggande teoretisk förutsägelse från 1994. Detta öppnar en ny dörr för en hel rad ytterligare experiment som kommer att göra det möjligt för oss att få en djupare förståelse av fasta ämnens egenskaper och funktionalitet, säger Grueninger.