В 1803 году некий джентльмен опубликовал труд, в котором описывал эксперимент, доказывающий волновую теорию света. Этим джентльменом был Томас Юнг, а его опыт носил название «эксперимент с двумя щелями». Прошло уже более двух веков, но опыт Юнга не был забыт и даже стал фундаментом нового метода рентгеновской спектроскопии, который позволяет более детально изучить физические свойства твердого тела.

Итак, почему опыт Юнга считается одним из основополагающих в физике, как его применили современные ученые и что у них из этого получилось мы узнаем из доклада исследовательской группы.

Немного предыстории

Как уже было сказано, в далеком 1803 году Томас Юнг опубликовал описание своего необычного эксперимента. И поскольку «кто не знает прошлого, не имеет будущего», мы коротенько этот опыт с вами рассмотрим.

Томас Юнг

Итак, для проведения опыта было необходимо всего три вещи: свет, пластина с двумя вертикальными прорезями и проекционный экран. При этом световое излучение было монохроматическим, то есть обладало минимальным частотным разбросом. Свет направляется на пластину со щелями, ширина которых должна быть максимально приближена к длине волны излучения. А проекционный экран необходим для наблюдения за результатом.

И тут возникает столкновение двух теорий света — корпускулярной и волновой. Первая предполагает, что свет состоит из частиц. А вторая — что это волна. Опираясь на каждую из этих теорий, мы должны получить разный результат в опыте Юнга.

А теперь подключим немного фантазии. Представьте, что вы играете в страйкбол с нашей опытной ширмой с прорезями (да, противник из нее не очень, но суть не в этом). Вы стреляете из ружья шариками, часть которых отскакивает от ширмы, а часть проходит через прорези и попадает в проекционный экран. Ружье — источник светового излучения. Шарики — частицы света. Таким образом на экране мы видим две полоски, то есть две области попадания из ружья.

Схематическое изображение опыта Юнга.

С волновой теорией все еще интереснее, потому потребуется еще больше фантазии. Теперь вы играете в межгалактический страйкбол, а ваше ружье, простите, ваш бластер стреляет волнами. Когда вы стреляете волной в ширму, две прорези становятся началом (источником) двух новых вторичных волн, которые уже за ширмой будут пересекаться. И тут мы будем видеть на экране сразу несколько разных результатов (областей «попадания»). Этот результат и есть интерференция света, но он требует определенных условий.

Во-первых, источники света (в опыте их два) должны быть когерентными, то есть согласованными. Создать два согласованных световых излучения проблематично, мягко говоря. Посему используется один луч света, который разделяется на два за счет той самой ширмы с прорезями. Так мы имитируем когерентность за счет вторичных волн первичного светового излучения.

Во-вторых, важную роль играет ширина прорезей, так как при ее увеличении будет расти освещенность экрана, то есть сложнее будет различить максимумы и минимумы интерференционной картины. Посему ширина должна быть максимально приближена к длине волны излучения.

И в-третьих, расстояние между прорезями влияет на частоту следования интерференционных полос.

В итоге Томас Юнг не только предоставил доказательства интерференции света, но и породил еще больше споров между сторонниками двух теорий, корпускулярной и волновой.

На самом же деле опыт Юнга никого особо не ссорил (я надеюсь, ибо ученые тоже могут быть драчунами), а скорее подтолкнул к еще более глубокому изучению света, его особенностей и способов его пояснения.

С ростом интереса к квантовой физике опыт Юнга получил еще одну теорию в свою копилку — квантовую. И тут нам фантазия не сильно поможет, поскольку крайне сложно представить себе шарик для страйкбола, способный одновременно быть и частицей, и волной, и разделяться, и соединяться, и черт знает что еще делать. Суть такова — ученые решили провести эксперимент Юнга с электроном, использовав его вместо света.

Ученые «выстреливали» по одному электрону, чтобы у них не было возможности взаимодействовать друг с другом. На пути у них была такая же ширма с двумя прорезями, как и в классическом опыте Юнга, а потом экран для визуализации результатов.

По логике, одиночные электроны, попавшие в прорези, должны сформировать на экране две области попадания, то есть как в корпускулярной теории. Однако мы знаем, что квантовая теория и классическая логика частенько расходятся. Результатом опыта с электронами было множество областей попадания, то есть как в волновой теории. Другими словами, электрон является и частицей, и волной (волна де Бройля, если точнее) одновременно. Таким образом электрон находится в состоянии квантовой суперпозиции, то есть обладает сразу несколькими состояниями, которые невозможно реализовать одновременно с точки зрения классической физики. Да уж, порой кажется, что классическая и квантовая физики это Людвиг ван Бетховен и Оззи Осборн — оба крутые, но во многом очень разные.

Томас Юнг видимо и представить не мог как далеко зайдет его опыт, и как много нового он может рассказать. А сейчас мы рассмотрим уже деяния наших современников, решивших применить опыт Томаса Юнга для реализации нового типа рентгеновской спектроскопии.

Основа исследования

Ярким примером принадлежности чего-то и к частицам, и к волнам в квантовой механике является неупругое рассеяние рентгеновского излучения (RIXS). С точки зрения частиц в RIXS рентгеновский фотон выталкивает электрон из ядра атома в валентную оболочку. В этот момент образуется высоковозбужденное атомное состояние, в котором имеется очень локализованная «пустота» размером в несколько пикометров. Такое промежуточное состояние очень быстро распадается, чему соответствует тот факт, что пустота заполняется валентным электроном при переизлучении фотона. Конечное же возбужденное состояние может соответствовать орбитальному, магнитному или межзонному возбуждению.

Исследователи же фокусируются на изучении рентгеновских волн, распространяющихся через вышеупомянутое локализованное промежуточное состояние, а после образующих интерференцию.

Ученые переносят нас немного в прошлое, точнее в 90-ые годы. По их словам уже тогда стало очевидно — даже если в RIXS рассеяние неупругое, а дыра в ядре атома (лучше назвать это термином «вакансия») очень локальна, то все равно амплитуды ее образования и аннигиляции должны быть когерентно суммированы при задействовании идентичных ионов, участвующих в делокализации финального состояния возбуждения. Вследствие всего этого возможна интерференция.

Изображение №1

И вот уже в 1994 году было предположено проявление интерференции для RIXS в двухатомных молекулах, что соответствует опыту Юнга. Это возможно за счет того, что промежуточное состояние RIXS содержит единственную вакансию ядра, которая может быть на любом из двух атомов в молекуле (изображение №1). В конечном состоянии электрон находится на возбужденной молекулярной орбитали, которая делокализована по двум атомам. Рентгеновское же излучение создает интерференцию в виде синусоидального интерференционного колебания на графике.

В качестве основного подопытного был выбран Ba₃CeIr₂O₉ (BCIO) — изолятор, который является кристаллическим твердым телом с квазимолекулярной электронной структурой (2А). Такие характеристики позволяют значительно четче рассмотреть интерференцию, являющуюся ярким признаком симметрии низкоэнергетических электронных возбуждений.

Результаты исследований

Итак, для начала ученые вырастили индивидуальные кристаллы BCIO. Каждый из Ir⁴⁺ ионов внутри структурных димеров показал 5d⁵ конфигурацию с одной вакансией в t₂g оболочке.

Изображение №2

Ученые отмечают, что минимальное расстояние между соседствующими ионами (Ir-Ir) составило 2.5 Å. Соответственно, внутридимерное ионное взаимодействие достаточно сильно и способствует формированию квази-молекулярных орбиталей с сильным связывающим-антисвязывающим расщеплением. Такая ситуация очень сильно отличается от той, когда имеется один Ir⁴⁺, когда сильная спин-орбитальная связь (λ ≈ 0.4–0.5 эВ) разделяет локальное t_2g-многообразие и приводит к спин-орбитальным-запутанным j = 1/2 моментам (2В).

В случае сильного спин-орбитального взаимодействия связывающие/антисвязывающие состояния могут формироваться из спин-орбитального-запутанного j = 1/2 состояния (2D). Однако сильное Ir-Ir взаимодействие может погасить j = 1/2 моменты. В таком случае t_2g орбитали становятся куда более подходящей основой для формирования связывающих/антисвязывающих состояний (2С).

Изображение №3

На изображении 3А мы можем увидеть результаты RIXS образца Ba₃CeIr₂O₉ при фиксированном излучении, настроенном на L3 край Ir (2p→5d), что резонансно усиливает неупругое рассеяние от возбуждений внутри t_2g. 5d t_2g — e^δ_g расщепление выше 3 эВ, при этом наблюдаемые функции (a, B и ℽ на графике) находятся в диапазоне 0.5 … 1.5 эВ. Таким образом их можно отнести к внутре-t_2gвозбуждениям. Также стоит отметить, что на графике нет характерных для индивидуальных j = 1/2 моментов особенностей, а пик спин-орбитального возбуждения достигает максимума в 1.5 λ.

Исследователи отмечают еще одно важное наблюдение: интегральная интенсивность функций демонстрирует ярко выраженные особенности интерференции двух лучей, другими словами четкое синусоидальное колебание как функции q_c (3B). Таким образом мы получили опыт Юнга, только в данном случае вместо расстояния между прорезями мы имеем расстояние между ионами (Ir-Ir).

Данное исследование — одно из самых сложных из тех, что я встречал, посему настоятельно рекомендую ознакомиться с докладом ученых и дополнительными материалами к нему, если вас интересуют детали, нюансы и подробности сего труда.

Эпилог

Ученые считают, что самой важной особенностью RIXS интерферометрии является возможность определять симметрию низкоэнергетических возбуждений, что помогает отличить два разных варианта орбиталей, описанных на изображениях 2С и 2D.

Конечно, на этом исследование нового метода рентгеновской спектроскопии не завершится, ведь ученые только слегка описали вершину айсберга. Дальнейшие эксперименты с другими типами материалов могут открыть новые пути реализации сей техники. В любом случае совершенствование новейших методик исследования физических свойств даже уже изученных (якобы) объектов это дело благое.

К тому же, данное исследование стало наглядным примером того, что открытия и наблюдения, совершенные несколько веков назад еще способны не только удивлять, но и быть невероятно полезными для создания новых технологий, методик и т.д.

Автор: Дмитрий Кикот