Исследователи визуализируют квантовые эффекты в электронных волнах
Зависящие от времени интерференционные полосы от сверхбыстрого эффекта Капицы-Дирака. Электронный волновой пакет подвергается воздействию двух встречных ультракоротких лазерных импульсов. Промежуток времени от начала до конца составляет 10 пикосекунд. Предоставлено: Франкфурт-на-Майне, Университет Гете.
Одним из наиболее фундаментальных взаимодействий в физике является взаимодействие электронов и света. В ходе эксперимента, проведенного во Франкфуртском университете имени Гете, ученым впервые удалось наблюдать так называемый эффект Капицы-Дирака с полным временным разрешением. Этот эффект был впервые постулирован более 90 лет назад, но только сейчас стали видны его мельчайшие детали.
Это был один из самых больших сюрпризов в истории науки: на заре квантовой физики, около 100 лет назад, ученые обнаружили, что частицы, из которых состоит наша материя, всегда ведут себя как волны. Точно так же, как свет может рассеиваться в двойной щели и создавать картины рассеяния, электроны также могут проявлять эффекты интерференции.
В 1933 году два теоретика Петр Капица и Поль Дирак доказали, что электронный пучок дифрагирует даже от стоячей световой волны (благодаря свойствам частиц) и что следует ожидать эффектов интерференции в результате свойств волн.
Немецко-китайской команде под руководством профессора Райнхарда Дернера из Франкфуртского университета имени Гете удалось использовать этот эффект Капицы-Дирака для визуализации даже временной эволюции электронных волн, известной как квантово-механическая фаза электронов. Исследование опубликовано в журнале Science.
"Первоначально экспериментальный аппарат сконструировал бывший научный сотрудник нашего института Александр Хартунг", - говорит Дернер. "После его ухода Кан Лин, сотрудник Александра фон Гумбольдта, проработавший во франкфуртской команде четыре года, смог использовать его для измерения эффекта Капицы-Дирака, зависящего от времени". Для этого также было необходимо продолжить теоретическое описание, поскольку Капица и Дирак в то время специально не учитывали временную эволюцию электронной фазы.
В своем эксперименте ученые из Франкфурта впервые направили два ультракоротких лазерных импульса с противоположных направлений на газообразный ксенон. В точке пересечения эти фемтосекундные импульсы — фемтосекунда равна квадриллионной доле секунды — создавали сверхсильное световое поле на доли секунды. Это вырвало электроны из атомов ксенона, то есть ионизировало их.
Вскоре после этого физики выпустили вторую пару коротких лазерных импульсов по высвобожденным таким образом электронам, которые также образовали стоячую волну в центре. Эти импульсы были немного слабее и не вызывали дальнейшей ионизации. Однако теперь они могли взаимодействовать со свободными электронами, что можно было наблюдать с помощью реакционного микроскопа COLTRIMS, разработанного во Франкфурте.
"В точке взаимодействия могут произойти три вещи", - говорит Дернер. "Либо электрон не взаимодействует со светом, либо он рассеивается влево или вправо".
Согласно законам квантовой физики, эти три возможности вместе составляют определенную вероятность, которая отражается в волновой функции электронов: облачкообразное пространство, в котором электрон — с определенной вероятностью — вероятно окажется, коллапсирует, так сказать, на трехмерные срезы. Здесь временная эволюция волновой функции и ее фазы зависит от того, сколько времени проходит между ионизацией и моментом воздействия второй пары лазерных импульсов.
"Это открывает множество захватывающих приложений в квантовой физике. Надеемся, это поможет нам отследить, как электроны превращаются из квантовых частиц в совершенно нормальные частицы за кратчайший промежуток времени. Мы уже планируем использовать это, чтобы узнать больше о сцеплении между различными частицами, которое Эйнштейн назвал "жутким" ", - говорит Дернер.
https://phys.org/news/2024-04-visualize-quantum-effects-electron.html
04.04.2024 | Категория: Квант
