Ecos del pasado: la experiencia de Young en la base del nuevo método de espectroscopía de rayos X

En 1803, un caballero publicó un trabajo en el que describió un experimento que prueba la teoría ondulatoria de la luz. Este caballero era Thomas Jung, y su experiencia se llamó el "experimento de la doble rendija". Han pasado más de dos siglos, pero el experimento de Jung no fue olvidado e incluso se convirtió en la base de un nuevo método de espectroscopía de rayos X, que permite un estudio más detallado de las propiedades físicas de un sólido. Entonces, por qué la experiencia de Jung se considera uno de los aspectos fundamentales de la física, cómo la usaron los científicos modernos y lo que surgió de ella, aprendemos del informe del grupo de investigación. Vamos

Un poco de historia

Como ya se mencionó, en 1803, Thomas Jung publicó una descripción de su experimento inusual. Y como "el que no conoce el pasado no tiene futuro", consideraremos brevemente esta experiencia con usted.


Thomas Jung

Entonces, para el experimento, solo se necesitaban tres cosas: luz, una placa con dos ranuras verticales y una pantalla de proyección. En este caso, la radiación de la luz era monocromática, es decir, tenía una propagación de frecuencia mínima. La luz se dirige a la placa con ranuras, cuyo ancho debe estar lo más cerca posible de la longitud de onda de la radiación. Se necesita una pantalla de proyección para observar el resultado.

Y aquí hay una colisión de dos teorías de la luz: corpuscular y de onda.

El primero supone que la luz está compuesta de partículas. Y el segundo es que es una ola. Según cada una de estas teorías, deberíamos obtener resultados diferentes en la experiencia de Jung.

Y ahora conectaremos algo de fantasía. Imagina que juegas airsoft con nuestra pantalla experimentada con tragamonedas (sí, el enemigo no es muy bueno, pero ese no es el punto). Disparas desde una escopeta con bolas, algunas de las cuales rebotan en la pantalla, y otras pasan por las ranuras y entran en la pantalla de proyección. Una escopeta es una fuente de radiación de luz. Las bolas son partículas de luz. Por lo tanto, en la pantalla vemos dos rayas, es decir, dos áreas de caída de un arma.


Representación esquemática de la experiencia de Jung.

Con la teoría de ondas, es aún más interesante, por lo que necesitas aún más imaginación. Ahora juegas airsoft intergaláctico, y tu arma, lo siento, tu bláster dispara olas. Cuando disparas una onda a una pantalla, dos ranuras se convierten en el comienzo (fuente) de dos nuevas ondas secundarias, que ya se cruzan detrás de la pantalla. Y aquí veremos en la pantalla varios resultados diferentes a la vez (áreas de "golpe"). Este resultado es la interferencia de la luz, pero requiere ciertas condiciones.

Primero, las fuentes de luz (hay dos en el experimento) deben ser coherentes, es decir, consistentes. Crear dos emisiones luminosas coherentes es problemático, por decir lo menos. Por lo tanto, se usa un rayo de luz, que se divide en dos debido a la misma pantalla con ranuras. Entonces simulamos coherencia debido a ondas secundarias de radiación de luz primaria.

En segundo lugar, el ancho de las ranuras juega un papel importante, ya que con su aumento aumentará la iluminación de la pantalla, es decir, será más difícil distinguir entre los máximos y mínimos del patrón de interferencia. Por lo tanto, el ancho debe ser lo más cercano posible a la longitud de onda de la radiación.

Y en tercer lugar, la distancia entre las ranuras afecta la frecuencia de las franjas de interferencia.

Como resultado, Thomas Jung no solo proporcionó evidencia de la interferencia de la luz, sino que también generó aún más controversia entre los defensores de las dos teorías, corpuscular y wave.

De hecho, la experiencia de Jung no se peleó realmente (espero, porque los científicos también pueden ser peleadores), sino que impulsó un estudio aún más profundo de la luz, sus características y formas de explicarla.

Con el creciente interés en la física cuántica, el experimento de Jung recibió otra teoría en su alcancía: la cuántica. Y aquí la fantasía no nos ayudará mucho, ya que es extremadamente difícil imaginar una pelota para airsoft, capaz de ser tanto una partícula como una ola, y separada, y conectada, y el diablo sabe qué más hacer. La conclusión es que los científicos decidieron realizar un experimento de Jung con un electrón, usándolo en lugar de la luz.

Los científicos "dispararon" a un electrón, por lo que no tuvieron la oportunidad de interactuar entre ellos. En el camino, tenían la misma pantalla con dos ranuras que en el experimento clásico de Jung, y luego una pantalla para visualizar los resultados.

Lógicamente, los electrones individuales que caen en las ranuras deberían formar dos áreas de impacto en la pantalla, es decir, como en la teoría corpuscular. Sin embargo, sabemos que la teoría cuántica y la lógica clásica a menudo divergen. El resultado del experimento con electrones fue muchas áreas de impacto, es decir, como en la teoría de ondas. En otras palabras, un electrón es una partícula y una onda (onda de Broglie, para ser más precisos) al mismo tiempo. Por lo tanto, el electrón está en un estado de superposición cuántica, es decir, tiene varios estados a la vez, que no pueden realizarse simultáneamente desde el punto de vista de la física clásica. Sí, a veces parece que los físicos clásicos y cuánticos son Ludwig van Beethoven y Ozzy Osbourne, ambos geniales, pero en muchos aspectos muy diferentes.


Thomas Jung aparentemente no podía imaginar cuán lejos llegaría su experiencia y cuánto podría decir. Y ahora consideraremos las acciones de nuestros contemporáneos que decidieron aplicar la experiencia de Thomas Young para implementar un nuevo tipo de espectroscopía de rayos X.

Base de estudio

Un ejemplo sorprendente de algo que pertenece tanto a las partículas como a las ondas en la mecánica cuántica es la dispersión inelástica de rayos X (RIXS). En términos de partículas en RIXS, un fotón de rayos X empuja un electrón desde el núcleo de un átomo hacia la capa de valencia. En este momento, se forma un estado atómico altamente excitado en el que hay un "vacío" muy localizado de varios picómetros de tamaño. Tal estado intermedio decae muy rápidamente, lo que corresponde al hecho de que el vacío se llena con un electrón de valencia tras la reemisión del fotón. El estado excitado final puede corresponder a la excitación orbital, magnética o entre bandas.

Los investigadores se centran en el estudio de las ondas de rayos X que se propagan a través del estado intermedio localizado antes mencionado, y después de formar interferencias.

Los científicos nos transfieren un poco al pasado, más precisamente en los años 90. Según ellos, se hizo obvio incluso entonces, incluso si la dispersión es inelástica en RIXS, y el agujero en el núcleo del átomo (mejor llamarlo el término "vacante") es muy local, entonces las amplitudes de su formación y aniquilación deben resumirse coherentemente usando iones idénticos participantes en la deslocalización del estado final de excitación. Debido a todo esto, la interferencia es posible.


Imagen No. 1

Y ya en 1994, se supuso la manifestación de interferencia para RIXS en moléculas diatómicas, lo que corresponde al experimento de Jung. Esto es posible debido al hecho de que el estado intermedio de RIXS contiene una sola vacante del núcleo, que puede estar en cualquiera de los dos átomos en la molécula (imagen No. 1). En el estado final, el electrón está en un orbital molecular excitado, que se deslocaliza en dos átomos. La radiación de rayos X crea interferencia en forma de una oscilación de interferencia sinusoidal en el gráfico.

Ba ₃ CeIr ₂ O ₉ (BCIO), un aislante, que es un sólido cristalino con una estructura electrónica cuasimolecular ( 2A ), fue elegido como el principal sujeto experimental. Dichas características permiten considerar la interferencia mucho más claramente, lo cual es un claro signo de la simetría de las excitaciones electrónicas de baja energía.

Resultados de la investigación

Entonces, para empezar, los científicos han cultivado cristales BCIO individuales. Cada uno de los iones Ir ⁴⁺ dentro de los dímeros estructurales mostró una configuración 5d ⁵ con una vacante en la carcasa t _2g .


Imagen No. 2

Los científicos señalan que la distancia mínima entre iones vecinos (Ir-Ir) fue de 2.5 Å. En consecuencia, la interacción iónica intradimérica es lo suficientemente fuerte y promueve la formación de orbitales cuasimoleculares con una fuerte división de unión-unión. Esta situación es muy diferente de la que existe cuando hay un Ir ⁴⁺ , cuando un fuerte acoplamiento de órbita giratoria (λ ≈ 0.4-0.5 eV) separa el colector local t _2g y conduce a j = 1/2 momentos entrelazados en órbita giratoria ( 2B ).

En el caso de una interacción fuerte entre la órbita y el espín, los estados de unión / antiaglomeración pueden formarse a partir del estado j = 1/2 entrelazado en el orbital giratorio ( 2D ). Sin embargo, una fuerte interacción Ir-Ir puede apagar j = 1/2 momentos. En este caso, los orbitales t _2g se convierten en una base mucho más adecuada para la formación de estados de unión / anti-unión ( 2C ).


Imagen No. 3

En la imagen 3A, podemos ver los resultados RIXS de la muestra Ba ₃ CeIr ₂ O ₉ con radiación fija sintonizada en el borde L3 de Ir (2p → 5d), que mejora de manera resonante la dispersión inelástica de las excitaciones dentro de t _2g . 5d t _2g - e ^δ _g dividiéndose por encima de 3 eV, mientras que las funciones observadas ( a , B y ℽ en el gráfico) están en el rango de 0.5 ... 1.5 eV. Por lo tanto, pueden atribuirse a las excitaciones intr-t _2g . También vale la pena señalar que el gráfico no tiene características características de j = 1/2 momentos individuales, y el pico de excitación de la órbita de giro alcanza un máximo de 1.5 λ.

Los investigadores observan otra observación importante: la intensidad integrada de las funciones muestra características pronunciadas de la interferencia de dos rayos, en otras palabras, una clara oscilación sinusoidal en función de q _c ( 3B ). Por lo tanto, obtuvimos la experiencia de Jung, solo en este caso, en lugar de la distancia entre las ranuras, tenemos la distancia entre los iones (Ir-Ir).

Este estudio es uno de los más difíciles que he encontrado, por lo tanto, le recomiendo que lea el informe de los científicos y materiales adicionales si está interesado en los detalles, matices y detalles de este trabajo.

Epílogo

Los científicos creen que la característica más importante de la interferometría RIXS es ​​la capacidad de determinar la simetría de las excitaciones de baja energía, lo que ayuda a distinguir dos variantes diferentes de los orbitales descritos en las imágenes 2C y 2D.

Por supuesto, el estudio del nuevo método de espectroscopía de rayos X no terminará allí, porque los científicos solo describieron ligeramente la punta del iceberg. Otros experimentos con otros tipos de materiales pueden abrir nuevas formas de implementar esta técnica. En cualquier caso, mejorar las últimas técnicas para estudiar las propiedades físicas de incluso objetos ya estudiados (supuestamente) es algo bueno.

Además, este estudio fue un buen ejemplo del hecho de que los descubrimientos y observaciones realizados hace varios siglos aún no solo pueden sorprender, sino también ser increíblemente útiles para crear nuevas tecnologías, técnicas, etc.

Gracias por su atención, sigan siendo curiosos, a pesar de la complejidad del material que les interesa :), y una excelente semana laboral para todos, muchachos.

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