Onderzoekers van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), in Korea, en Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, in Duitsland, hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar materie-golfdiffractie van een periodieke reeks halve vlakken. hun papier, gepubliceerd op Fysieke beoordelingsbrieven ( PRL ), rapporten over de reflectie en diffractie van He en D ₂ bundels van blokgolfroosters met een periode van 400 m en strookbreedtes variërend van 10 tot 200 m bij begrazingsincidentie.

"Ons experiment is gebaseerd op de dualiteit van golven en deeltjes, wat een basisconcept is in de kwantummechanica, " Wieland Schöllkopf, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Het idee dat microscopisch kleine deeltjes zoals elektronen, neutronen, atomen of zelfs moleculen vertonen golfachtig gedrag dat teruggaat tot de jaren 1920, toen Louis de Broglie de golflengte van het deeltje introduceerde, die tegenwoordig wordt aangeduid als de 'de Broglie-golflengte'."

Sinds De Broglie zijn theorie voor het eerst ontwikkelde, onderzoekers hebben talloze experimenten uitgevoerd om diffractie en interferentie waar te nemen, twee golfverschijnselen die niet in een deeltjesbeeld kunnen worden verklaard. Het belangrijkste doel van de studie uitgevoerd door Schöllkopf en zijn collega's was het onderzoeken van nieuwe materie-golfdiffractiemethoden die coherente manipulatie van atomaire en moleculaire bundels mogelijk maken.

"We observeerden diffractie van He-atomen en D ₂ moleculen die uit een roosterstructuur verstrooien, " legde Schöllkopf uit. "De laatste wordt gevormd door een periodieke reeks polymeerfilm die is gestructureerd op een met goud bedekt glassubstraat. Een verscheidenheid aan roosterstructuren, allemaal met dezelfde periode, maar verschillend in de breedte van de polymeerstrepen, werden gemaakt bij UNIST in Ulsan, Korea. Deze roosters werden gebruikt in het diffractie-apparaat van het Fritz-Haber-Institut in Berlijn, Duitsland."

Met het apparaat van het Fritz-Haber-Institut konden de onderzoekers een intense straal He of D . genereren ₂ met extreem kleine hoekafwijking. De gegenereerde bundel valt onder begrazingsomstandigheden op het rooster, Vandaar, de snelheidscomponent van de deeltjes loodrecht op het roosteroppervlak is erg klein.

"In eerdere experimenten die in ons laboratorium werden uitgevoerd, we hebben coherente reflectie en diffractie waargenomen van een roosterstructuur onder omstandigheden van grazende incidentie, " zei Schöllkopf. "Dit werd toegeschreven aan 'kwantumreflectie, ' wat een reflectiemechanisme is dat verschilt van klassieke reflectie."

Bij klassieke reflectie als atomen of moleculen een oppervlak naderen, ze worden beïnvloed door de atoomoppervlakte van der Waalskracht. Deze kracht leidt tot een versnelling naar het oppervlak, waarbij het deeltje uiteindelijk van het oppervlak terugkaatst. Anderzijds, in kwantumreflectie, de atomen of moleculen kaatsen al terug uit het gebied in de ruimte die wordt gedomineerd door de Van der Waals-kracht.

"Dit contra-intuïtieve kwantumeffect van aantrekkingskrachten, effectief resulterend in terugslag van het deeltje, kan alleen worden waargenomen als de invalssnelheid in de richting loodrecht op het oppervlak erg klein is, " legde Schöllkopf uit. "Dit is waarom, in ons experiment, we kunnen kwantumreflectie alleen waarnemen bij bijna begrazingsincidentie."

Een derde reflectiemechanisme, die verschilt van klassieke en kwantumreflectie, is gebaseerd op de diffractie van de de Broglie-golven van atomen of moleculen van de randen van halve vlakken, die zeer smalle richels op een oppervlak zijn. Dit mechanisme, voor het eerst waargenomen in Japan door Prof. Shimizu en zijn collega's, wordt nu aangeduid als "Fresnel-diffractiespiegel" vanwege zijn analogie met de randdiffractie van lichtgolven in de optica.

In hun studie hebben Schöllkopf en zijn collega's observeerden volledig opgeloste materie-golfdiffractiepatronen, inclusief spiegelreflectie en afgebogen bundels tot de tweede diffractieorde. Ze ontdekten ook dat naarmate de strookbreedte afnam, diffractie-efficiëntie getransformeerd van het bekende regime van kwantumreflectie naar het regime van randdiffractie.

"Bij ons experiment we observeerden de overgang van kwantumreflectie voor relatief grote breedtes van de roosterstrepen naar het regime bij kleine streepbreedtes waar randdiffractie domineert, " zei Schöllkopf. "Bovendien, naast de spiegelende (spiegelachtige) reflectie die eerder werd gezien, we observeerden intense roosterdiffractiebundels tot de tweede orde."

De door de onderzoekers verzamelde experimentele bevindingen bevestigen een eerder ontwikkeld model met één parameter, die vaak wordt gebruikt om een ​​verscheidenheid aan verschijnselen te beschrijven, inclusief kwantumbiljart, verstrooiing van radiogolven in stedelijke gebieden en de weerkaatsing van materiegolven van microstructuren. Bovendien, hun waarnemingen suggereren dat noch klassieke noch kwantumreflectiemechanismen essentieel zijn voor de reflectieve diffractie van materiegolven van een gestructureerde vaste stof, aangezien dit uitsluitend het gevolg kan zijn van halfvlakke randdiffractie.

"Onze waarnemingen stelden ons in staat een kwantitatieve analyse te maken van de reflectie- en diffractie-efficiënties, "Bum Suk Zhao van UNIST, de hoofdonderzoeker van de studie, vertelde Phys.org. "Dit, beurtelings, toegestaan ​​voor een experimentele test van het Bogomolny-Schmit-model van halfvlakke array-diffractie. Volgens deze modelbeschrijving is het fenomeen volledig schaalbaar met betrekking tot de golflengte en de afmetingen van de half-plane array. Als resultaat, voor een bepaalde invalshoek, de verstrooiing van atomaire materiegolven van 1 nm de Broglie-golflengte van een 4-μm-periodereeks van parallelle halve vlakken vertoont identieke diffractie-effecten als, bijv. de verstrooiing van 1 cm-golflengte radiogolven uit gebouwen gescheiden door 40 m."

Het onderzoek van Schöllkopf, Zhao en hun collega's geven een duidelijke bevestiging van het Bogomolny-Schmit-model. In de toekomst, hun bevindingen kunnen ook worden gebruikt als een testbank voor modellen van kwantumreflectie van microgestructureerde oppervlakken die rekening moeten houden met halfvlakke randdiffractie. In hun volgende studies, de onderzoekers zijn van plan om half-plane array diffractie toe te passen op het onderzoek van zwak gebonden moleculen, zoals de He-dimeer en trimeer.

"Vanwege hun extreem kleine bindende energieën, deze twee- en drieatomige heliummoleculen zijn niet vatbaar voor veel experimentele instrumenten, Bum Suk Zhao legde uit. "Bijvoorbeeld, klassieke verstrooiing van He ₂ van een vast oppervlak zal onvermijdelijk leiden tot breuk. Om deze beperkingen te overwinnen, er zijn meer experimentele technieken nodig die niet-destructieve manipulatie van deze soorten mogelijk maken. Half-plane array diffractie is hiervoor een geschikte methode."

© 2019 Wetenschap X Netwerk