Echos der Vergangenheit: Young's Erfahrung auf der Basis der neuen Röntgenspektroskopie-Methode

1803 veröffentlichte ein Gentleman eine Arbeit, in der er ein Experiment beschrieb, das die Wellentheorie des Lichts beweist. Dieser Gentleman war Thomas Jung, und seine Erfahrung wurde als "Doppelspaltexperiment" bezeichnet. Mehr als zwei Jahrhunderte sind vergangen, aber Jungs Experiment wurde nicht vergessen und wurde sogar zur Grundlage einer neuen Methode der Röntgenspektroskopie, die eine detailliertere Untersuchung der physikalischen Eigenschaften eines Festkörpers ermöglicht. Warum Jungs Erfahrung als eine der Grundlagen in der Physik angesehen wird, wie moderne Wissenschaftler sie verwendeten und was daraus wurde, erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Ein kleiner Hintergrund

Wie bereits erwähnt, veröffentlichte Thomas Jung bereits 1803 eine Beschreibung seines ungewöhnlichen Experiments. Und da „wer die Vergangenheit nicht kennt, keine Zukunft hat“, werden wir diese Erfahrung mit Ihnen kurz betrachten.


Thomas Jung

Für das Experiment wurden also nur drei Dinge benötigt: Licht, eine Platte mit zwei vertikalen Schlitzen und eine Projektionswand. In diesem Fall war die Lichtstrahlung monochromatisch, dh sie hatte eine minimale Frequenzspreizung. Das Licht wird mit Schlitzen auf die Platte gerichtet, deren Breite so nahe wie möglich an der Strahlungswellenlänge liegen sollte. Eine Projektionsfläche wird benötigt, um das Ergebnis zu beobachten.

Und hier gibt es eine Kollision zweier Lichttheorien - Korpuskular und Welle.

Der erste geht davon aus, dass Licht aus Partikeln besteht. Und das zweite ist, dass es eine Welle ist. Basierend auf jeder dieser Theorien sollten wir unterschiedliche Ergebnisse in Jungs Erfahrung erzielen.

Und jetzt stecken wir etwas Fantasie ein. Stellen Sie sich vor, Sie spielen Airsoft mit unserem erfahrenen Bildschirm mit Slots (ja, der Feind ist nicht sehr gut darin, aber das ist nicht der Punkt). Sie schießen aus einer Schrotflinte mit Kugeln, von denen einige vom Bildschirm abprallen, andere durch die Schlitze und betreten die Projektionsfläche. Eine Schrotflinte ist eine Lichtstrahlungsquelle. Kugeln sind Lichtteilchen. Auf dem Bildschirm sehen wir also zwei Streifen, dh zwei Bereiche, in denen eine Waffe herunterfällt.


Schematische Darstellung von Jungs Erfahrung.

Mit der Wellentheorie ist es noch interessanter, sodass Sie noch mehr Vorstellungskraft benötigen. Jetzt spielst du intergalaktisches Airsoft und deine Waffe, tut mir leid, dein Blaster schießt Wellen. Wenn Sie eine Welle auf einen Bildschirm schießen, werden zwei Slots zum Anfang (Quelle) von zwei neuen Sekundärwellen, die sich bereits hinter dem Bildschirm schneiden. Und hier sehen wir auf dem Bildschirm mehrere unterschiedliche Ergebnisse gleichzeitig (Bereiche von "Treffer"). Dieses Ergebnis ist die Interferenz von Licht, erfordert jedoch bestimmte Bedingungen.

Erstens müssen Lichtquellen (es gibt zwei im Experiment) kohärent, dh konsistent sein. Es ist gelinde gesagt problematisch, zwei kohärente Lichtemissionen zu erzeugen. Daher wird ein Lichtstrahl verwendet, der aufgrund des gleichen Bildschirms mit Schlitzen in zwei Teile geteilt wird. Wir simulieren also die Kohärenz aufgrund von Sekundärwellen der primären Lichtstrahlung.

Zweitens spielt die Breite der Schlitze eine wichtige Rolle, da mit zunehmender Vergrößerung die Beleuchtung des Bildschirms zunimmt, dh es wird schwieriger, zwischen den Maxima und Minima des Interferenzmusters zu unterscheiden. Daher sollte die Breite so nahe wie möglich an der Strahlungswellenlänge liegen.

Und drittens beeinflusst der Abstand zwischen den Schlitzen die Frequenz der Interferenzstreifen.

Infolgedessen lieferte Thomas Jung nicht nur Hinweise auf die Interferenz von Licht, sondern erzeugte auch noch mehr Kontroversen zwischen den Befürwortern der beiden Theorien, Korpuskular und Welle.

Tatsächlich stritten sich Jungs Erfahrungen nicht wirklich (ich hoffe, Wissenschaftler können auch Schläger sein), sondern drängten auf eine noch tiefere Untersuchung des Lichts, seiner Merkmale und Erklärungsmöglichkeiten.

Mit dem wachsenden Interesse an der Quantenphysik erhielt Jungs Experiment eine andere Theorie in seinem Sparschwein - das Quantum. Und hier wird uns die Fantasie nicht viel helfen, da es äußerst schwierig ist, sich einen Ball für Airsoft vorzustellen, der sowohl ein Teilchen als auch eine Welle sein kann und getrennt und verbunden ist, und der Teufel weiß, was er sonst tun soll. Unter dem Strich haben die Wissenschaftler beschlossen, ein Jung-Experiment mit einem Elektron anstelle von Licht durchzuführen.

Wissenschaftler "schossen" auf ein Elektron, so dass sie nicht die Möglichkeit hatten, miteinander zu interagieren. Unterwegs hatten sie denselben Bildschirm mit zwei Slots wie in Jungs klassischem Experiment und dann einen Bildschirm zur Visualisierung der Ergebnisse.

Logischerweise sollten einzelne Elektronen, die in die Schlitze fallen, zwei Aufprallbereiche auf dem Bildschirm bilden, dh wie in der Korpuskulartheorie. Wir wissen jedoch, dass Quantentheorie und klassische Logik oft voneinander abweichen. Das Ergebnis des Experiments mit Elektronen waren viele Wirkungsbereiche, also wie in der Wellentheorie. Mit anderen Worten, ein Elektron ist gleichzeitig sowohl ein Teilchen als auch eine Welle (genauer gesagt die de Broglie-Welle). Das Elektron befindet sich also in einem Zustand der Quantenüberlagerung, dh es hat mehrere Zustände gleichzeitig, die aus Sicht der klassischen Physik nicht gleichzeitig realisiert werden können. Ja, manchmal scheint es, dass klassische und Quantenphysiker Ludwig van Beethoven und Ozzy Osbourne sind - beide cool, aber in vielerlei Hinsicht sehr unterschiedlich.


Thomas Jung konnte sich anscheinend nicht vorstellen, wie weit seine Erfahrung gehen würde und wie viel er erzählen konnte. Und jetzt werden wir die Handlungen unserer Zeitgenossen betrachten, die beschlossen haben, die Erfahrungen von Thomas Young anzuwenden, um eine neue Art der Röntgenspektroskopie zu implementieren.

Studienbasis

Ein bemerkenswertes Beispiel für etwas, das sowohl zu Teilchen als auch zu Wellen in der Quantenmechanik gehört, ist die unelastische Streuung von Röntgenstrahlen (RIXS). In Bezug auf Teilchen in RIXS drückt ein Röntgenphoton ein Elektron aus dem Kern eines Atoms in die Valenzschale. In diesem Moment wird ein hoch angeregter Atomzustand gebildet, in dem sich ein sehr lokalisierter "Hohlraum" von mehreren Pikometern Größe befindet. Ein solcher Zwischenzustand zerfällt sehr schnell, was der Tatsache entspricht, dass der Hohlraum bei erneuter Emission des Photons mit einem Valenzelektronen gefüllt wird. Der endgültige angeregte Zustand kann einer Orbital-, Magnet- oder Interbandanregung entsprechen.

Die Forscher konzentrieren sich auf die Untersuchung von Röntgenwellen, die sich durch den oben genannten lokalisierten Zwischenzustand und nach der Bildung von Interferenzen ausbreiten.

Wissenschaftler versetzen uns ein wenig in die Vergangenheit, genauer gesagt in den 90er Jahren. Ihnen zufolge wurde es schon damals offensichtlich - selbst wenn die Streuung in RIXS unelastisch ist und das Loch im Atomkern (besser als "Leerstelle" bezeichnet) sehr lokal ist, müssen die Amplituden seiner Bildung und Vernichtung unter Verwendung identischer teilnehmender Ionen kohärent zusammengefasst werden bei der Delokalisierung des Endzustandes der Erregung. Aufgrund dessen ist eine Störung möglich.


Bild Nr. 1

Und bereits 1994 wurde die Manifestation einer Interferenz für RIXS in zweiatomigen Molekülen angenommen, was Jungs Experiment entspricht. Dies ist möglich, weil der Zwischenzustand von RIXS eine einzelne Leerstelle des Kerns enthält, die sich an einem der beiden Atome im Molekül befinden kann (Bild Nr. 1). Im Endzustand befindet sich das Elektron auf einem angeregten Molekülorbital, das an zwei Atomen delokalisiert ist. Röntgenstrahlung erzeugt Interferenzen in Form einer sinusförmigen Interferenzschwingung im Diagramm.

Als Hauptversuchsobjekt wurde Ba ₃ CeIr ₂ O ₉ (BCIO) ausgewählt, ein Isolator, der ein kristalliner Feststoff mit einer quasimolekularen elektronischen Struktur ( 2A ) ist. Solche Eigenschaften ermöglichen es, die Interferenz viel klarer zu betrachten, was ein klares Zeichen für die Symmetrie energiearmer elektronischer Anregungen ist.

Forschungsergebnisse

Für den Anfang haben Wissenschaftler einzelne BCIO-Kristalle gezüchtet. Jedes der Ir ⁴⁺ -Ionen innerhalb der Strukturdimere zeigte eine 5d ⁵ -Konfiguration mit einer Lücke in der t _2g- Schale.


Bild Nr. 2

Wissenschaftler stellen fest, dass der Mindestabstand zwischen benachbarten Ionen (Ir-Ir) 2,5 Å betrug. Dementsprechend ist die intradimere ionische Wechselwirkung stark genug und fördert die Bildung von quasimolekularen Orbitalen mit starker Bindung-Bindungsbindung. Diese Situation unterscheidet sich stark von der bei einem Ir ⁴⁺ , wenn eine starke Spin-Bahn-Kopplung (λ ≈ 0,4-0,5 eV) die lokale t _2g- Mannigfaltigkeit trennt und zu Spin-Bahn-verschränkten j = 1/2 Momenten führt ( 2B ).

Im Falle einer starken Spin-Orbit-Wechselwirkung können sich die Bindungs- / Antibindungszustände aus dem Spin-Orbital-verschränkten j = 1/2 -Zustand ( 2D ) bilden. Eine starke Ir-Ir-Wechselwirkung kann jedoch j = 1/2 Momente löschen. In diesem Fall werden t _2g- Orbitale zu einer viel geeigneteren Grundlage für die Bildung von Bindungs- / Anti-Bindungszuständen ( 2C ).


Bild Nr. 3

In Bild 3A sehen wir die RIXS-Ergebnisse der Ba ₃ CeIr ₂ O ₉ -Probe mit fester Strahlung, die auf die L3-Kante von Ir (2p → 5d) abgestimmt ist und die unelastische Streuung durch Anregungen innerhalb von t _2g resonant verstärkt. 5d t _2g - e ^δ _g , das sich über 3 eV aufteilt, während die beobachteten Funktionen ( a , B und ℽ in der Grafik) im Bereich von 0,5 ... 1,5 eV liegen. Somit können sie intr-t _2g- Anregungen zugeschrieben werden. Es ist auch erwähnenswert, dass der Graph keine Merkmale aufweist, die für einzelne j = 1/2 Momente charakteristisch sind, und der Peak der Spin-Orbit-Anregung ein Maximum von 1,5 λ erreicht.

Die Forscher stellen eine weitere wichtige Beobachtung fest: Die integrierte Intensität der Funktionen zeigt ausgeprägte Merkmale der Interferenz zweier Strahlen, dh eine deutliche sinusförmige Schwingung als Funktion von q _c ( 3B ). So haben wir Jungs Erfahrung, nur in diesem Fall haben wir anstelle des Abstands zwischen den Schlitzen den Abstand zwischen den Ionen (Ir-Ir).

Diese Studie ist eine der schwierigsten, denen ich begegnet bin. Daher empfehle ich Ihnen dringend, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen, wenn Sie an den Details, Nuancen und Details dieser Arbeit interessiert sind.

Nachwort

Wissenschaftler glauben, dass das wichtigste Merkmal der RIXS-Interferometrie die Fähigkeit ist, die Symmetrie energiearmer Anregungen zu bestimmen, wodurch zwei verschiedene Varianten der in den Bildern 2C und 2D beschriebenen Orbitale unterschieden werden können.

Natürlich wird die Untersuchung der neuen Methode der Röntgenspektroskopie dort nicht enden, da die Wissenschaftler die Spitze des Eisbergs nur geringfügig beschrieben haben. Weitere Experimente mit anderen Arten von Materialien können neue Wege zur Implementierung dieser Technik eröffnen. In jedem Fall ist es eine gute Sache, die neuesten Techniken zur Untersuchung der physikalischen Eigenschaften selbst bereits untersuchter (angeblich) Objekte zu verbessern.

Darüber hinaus war diese Studie ein gutes Beispiel dafür, dass Entdeckungen und Beobachtungen, die vor einigen Jahrhunderten gemacht wurden, immer noch nicht nur überraschen, sondern auch unglaublich nützlich für die Entwicklung neuer Technologien, Techniken usw. sein können.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig, trotz der Komplexität des Materials, das Sie interessiert :) und eine hervorragende Arbeitswoche für alle, Jungs.

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