Международная исследовательская группа во главе с физиками из Кельнского университета внедрила новый вариант базового эксперимента с двумя щелями с использованием резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей на Европейском синхротронном ESRF в Гренобле. Этот новый вариант предлагает более глубокое понимание электронной структуры твердых тел. В статье Science Advances научная группа представила свои результаты в исследовании под названием «Резонансное неупругое рентгеновское воплощение эксперимента Юнга с двумя щелями».
Эксперимент с двумя щелями имеет фундаментальное значение в физике. Более 200 лет назад Томас Янг дифрагировал свет на двух соседних щелях, создавая таким образом интерференционные картины (изображения, основанные на суперпозиции) за этой двойной щелью. Таким образом, он продемонстрировал волновую природу света. В 20-м веке ученые показали, что электроны или молекулы, рассеянные на двойной щели, демонстрируют одинаковую интерференционную картину , которая противоречит классическому ожиданию поведения частиц, но может быть объяснена квантово-механическим дуализмом волны-частицы. Напротив, исследователи в Кельне исследовали кристалл оксида иридия (Ba 3 CeIr 2 O 9 ) с помощью резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей (RIXS).
Кристалл облучается сильно коллимированными высокоэнергетическими рентгеновскими фотонами. Рентгеновские лучи рассеиваются атомами иридия в кристалле, которые играют роль щелей в классическом эксперименте Юнга. Благодаря быстрому техническому развитию RIXS и умелому выбору кристаллической структуры физики наблюдали рассеяние на двух соседних атомах иридия, так называемый димер.
«Интерференционная картина многое говорит нам о рассеивающем объекте, двойной щели димера», — говорит профессор Маркус Грюнингер, который возглавляет исследовательскую группу в Университете Кельна. В отличие от классического эксперимента с двумя щелями , неупруго рассеянные рентгеновские фотоны предоставляют информацию о возбужденных состояниях димера, в частности их симметрии, и, следовательно, о динамических физических свойствах твердого тела.
Эти эксперименты RIXS требуют современного синхротрона в качестве чрезвычайно блестящего источника рентгеновского излучения и сложной экспериментальной установки. Чтобы специально возбуждать только атомы иридия, ученым приходится выбирать очень малую долю фотонов с правильной энергией из широкого спектра синхротрона , а рассеянные фотоны отбираются еще более строго в соответствии с энергией и направлением рассеяния. Осталось всего несколько фотонов. С требуемой точностью, эти эксперименты RIXS в настоящее время возможны только на двух синхротронах по всему миру, включая ESRF (Европейский центр синхротронного излучения) в Гренобле, где команда из Кельна провела свой эксперимент.
«С нашим экспериментом RIXS мы смогли доказать фундаментальный теоретический прогноз с 1994 года. Это открывает новую дверь для целой серии дальнейших экспериментов, которые позволят нам глубже понять свойства и функциональные возможности твердых тел», — говорит Грюнингер.
