Forskare vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), i Korea, och Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, i Tyskland, har nyligen genomfört en studie som undersöker materia-vågdiffraktion från en periodisk uppsättning halva plan. Deras papper, publicerad på Fysiska granskningsbrev ( PRL ), rapporterar om reflektion och diffraktion av He och D. ₂ strålar från kvadratvågsgaller av en 400 µm period och bandbredder som sträcker sig från 10 till 200 µm vid betesincidensförhållanden.

"Vårt experiment baseras på våg -partikeldualiteten, vilket är ett grundläggande begrepp inom kvantmekanik, "Wieland Schöllkopf, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Tanken att mikroskopiska partiklar som elektroner, neutroner, atomer eller till och med molekyler uppvisar vågliknande beteende från 1920-talet, när Louis de Broglie introducerade partikelvåglängden, som idag kallas 'de Broglie -våglängden'. "

Sedan de Broglie först utvecklade sin teori, forskare har utfört många experiment för att observera diffraktion och interferens, två vågfenomen som inte kan förklaras i en partikelbild. Huvudsyftet med studien som utfördes av Schöllkopf och hans kollegor var att undersöka nya materievågdiffraktionsmetoder som möjliggör koherent manipulation av atom- och molekylära strålar.

"Vi observerade diffraktion av He -atomer och D ₂ molekyler som sprider sig från en gitterstruktur, "Schöllkopf förklarade." Den senare bildas av en periodisk uppsättning polymerfilm strukturerad på ett guldbelagt glasunderlag. En mängd olika gitterkonstruktioner, alla med samma period, men skiljer sig åt i bredden på polymerremsorna, gjordes på UNIST i Ulsan, Korea. Dessa galler användes i diffraktionsapparaten vid Fritz-Haber-Institutet i Berlin, Tyskland."

Apparaten vid Fritz-Haber-Institutet tillät forskarna att generera en intensiv stråle av He eller D. ₂ med extremt smal vinkeldivergens. Den genererade strålen påverkar gallret under betesförhållanden, därav, partiklarnas hastighetskomponent vinkelrätt mot gallerytan är mycket liten.

"I tidigare experiment som utförts på vårt labb, vi har observerat koherent reflektion och diffraktion från en gitterstruktur under betesincidensförhållanden, "Sa Schöllkopf." Detta tillskrevs 'kvantreflektion, 'som är en reflektionsmekanism som skiljer sig från klassisk reflektion. "

I klassisk reflektion, när atomer eller molekyler närmar sig en yta, de påverkas av atom-ytan van der Waals kraft. Denna kraft leder till en acceleration mot ytan, med partikeln som slutligen studsar bort från ytan. Å andra sidan, i kvantreflektion, atomerna eller molekylerna studsar redan tillbaka från regionen i rymden som domineras av van der Waalskraften.

"Denna kontraintuitiva kvanteffekt av attraktiva krafter, resulterar effektivt i rekyl av partikeln, kan bara observeras om infallshastigheten i riktningen vinkelrätt mot ytan är mycket liten, "Förklarade Schöllkopf." Det är därför, i vårt experiment, vi kan bara observera kvantreflektion vid nära betesincidensförhållanden. "

En tredje reflektionsmekanism, som skiljer sig från klassisk och kvantreflektion, är baserad på diffraktionen av de Broglie -vågor av atomer eller molekyler från kanterna på halvplan, som är mycket smala åsar på en yta. Denna mekanism, först observerades i Japan av professor Shimizu och hans kollegor, kallas nu "Fresnel diffraktionsspegel" på grund av dess analogi med kantdiffraktion av ljusvågor i optik.

I deras studie, Schöllkopf och hans kollegor observerade fullt lösta materia-vågdiffraktionsmönster, inklusive spegelreflektion och diffrakterade strålar upp till den andra diffraktionsordningen. De fann också att när remsans bredd minskade, diffraktionseffektiviteter transformerade från den kända regimen för kvantreflektion till regimen för kantdiffraktion.

"I vårt experiment, vi observerade övergången från kvantreflektion för relativt stora bredder av gitterremsorna till regimen vid små randbredder där kantdiffraktion dominerar, "Sa Schöllkopf." Dessutom, förutom den spekulära (spegelliknande) reflektionen som setts tidigare, vi observerade intensiva gallerdiffraktionsstrålar upp till andra ordningen. "

De experimentella fynd som samlats in av forskarna bekräftar en tidigare utvecklad modell med en parameter, som vanligtvis används för att beskriva en mängd olika fenomen, inklusive kvantbiljard, spridning av radiovågor i stadsområden och reflektion av materiavågor från mikrostrukturer. Dessutom, deras observationer tyder på att varken klassiska eller kvantreflekterande mekanismer är väsentliga för den reflekterande diffraktionen av materievågor från ett strukturerat fast ämne, eftersom detta uteslutande kan bero på halvplanskantdiffraktion.

"Våra observationer tillät oss att göra en kvantitativ analys av reflektion och diffraktionseffektivitet, "Bum Suk Zhao från UNIST, huvudutredaren av studien, berättade för Phys.org. "Detta, i tur och ordning, tillät ett experimentellt test av Bogomolny-Schmit-modellen för halvplanarraydiffraktion. Enligt denna modellbeskrivning är fenomenet fullt skalbart med avseende på våglängden och dimensionerna hos halvplanarrayen. Som ett resultat, för en given infallsvinkel, spridningen av atomämnesvågor med 1 nm de Broglie-våglängd från en 4-mikrometer period av parallella halvplan visar identiska diffraktionseffekter som, t.ex., spridningen av 1 cm-våglängds radiovågor från byggnader åtskilda med 40 m. "

Studien genomförd av Schöllkopf, Zhao och deras kollegor ger en tydlig bekräftelse på Bogomolny-Schmit-modellen. I framtiden, deras fynd kan också användas som en testbänk för modeller av kvantreflektion från mikrostrukturerade ytor som måste ta hänsyn till halvplanskantdiffraktion. I deras nästa studier, forskarna planerar att tillämpa diffraktion av halvplanarray till undersökning av svagt bundna molekyler, som He dimer och trimer.

"På grund av deras extremt små bindande energier, dessa di- och triatomiska heliummolekyler är inte mottagliga för många experimentella verktyg, "Bum Suk Zhao förklarade." Till exempel, klassisk spridning av Han ₂ från en fast yta kommer oundvikligen att leda till uppbrott. För att övervinna dessa begränsningar, mer experimentella tekniker som möjliggör icke-destruktiv manipulation av dessa arter behövs. Half-plane array diffraktion är en väl lämpad metod för detta ändamål. "

© 2019 Science X Network