Échos du passé: l'expérience de Young à la base de la nouvelle méthode de spectroscopie aux rayons X

En 1803, un homme a publié un ouvrage dans lequel il a décrit une expérience prouvant la théorie des ondes de la lumière. Ce monsieur était Thomas Jung, et son expérience s'appelait «l'expérience à double fente». Plus de deux siècles se sont écoulés, mais l'expérience de Jung n'a pas été oubliée et est même devenue le fondement d'une nouvelle méthode de spectroscopie aux rayons X, qui permet une étude plus détaillée des propriétés physiques d'un solide. Donc, pourquoi l'expérience de Jung est considérée comme l'un des fondamentaux de la physique, comment les scientifiques modernes l'ont utilisée et ce qui en est ressorti, nous apprend le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Un peu de fond

Comme déjà mentionné, en 1803, Thomas Jung a publié une description de son expérience inhabituelle. Et puisque «celui qui ne connaît pas le passé n'a pas d'avenir», nous considérerons brièvement cette expérience avec vous.


Thomas Jung

Ainsi, pour l'expérience, seulement trois choses étaient nécessaires: la lumière, une plaque avec deux fentes verticales et un écran de projection. Dans ce cas, le rayonnement lumineux était monochromatique, c'est-à-dire qu'il avait une propagation de fréquence minimale. La lumière est dirigée vers la plaque avec des fentes dont la largeur doit être aussi proche que possible de la longueur d'onde de rayonnement. Un écran de projection est nécessaire pour observer le résultat.

Et ici, il y a une collision de deux théories de la lumière - corpusculaire et ondulatoire.

Le premier suppose que la lumière est constituée de particules. Et la seconde est que c'est une vague. Sur la base de chacune de ces théories, nous devrions obtenir des résultats différents dans l'expérience de Jung.

Et maintenant, nous allons brancher de la fantaisie. Imaginez que vous jouiez à l'airsoft avec notre écran expérimenté avec des machines à sous (oui, l'ennemi n'est pas très bon, mais ce n'est pas le but). Vous tirez à partir d'un fusil de chasse avec des balles, dont certaines rebondissent sur l'écran et d'autres passent à travers les fentes et pénètrent dans l'écran de projection. Un fusil de chasse est une source de rayonnement lumineux. Les boules sont des particules de lumière. Ainsi, sur l'écran, nous voyons deux bandes, c'est-à-dire deux zones de chute d'un pistolet.


Représentation schématique de l'expérience de Jung.

Avec la théorie des vagues, c'est encore plus intéressant, vous avez donc besoin de plus d'imagination. Maintenant, vous jouez à l'airsoft intergalactique, et votre pistolet, je suis désolé, votre blaster tire des vagues. Lorsque vous filmez une vague sur un écran, deux emplacements deviennent le début (source) de deux nouvelles vagues secondaires, qui se coupent déjà derrière l'écran. Et ici, nous verrons à l'écran plusieurs résultats différents à la fois (zones de "hit"). Ce résultat est l'interférence de la lumière, mais il nécessite certaines conditions.

Premièrement, les sources de lumière (il y en a deux dans l'expérience) doivent être cohérentes, c'est-à-dire cohérentes. Créer deux émissions lumineuses cohérentes est pour le moins problématique. Par conséquent, un rayon de lumière est utilisé, qui est divisé en deux en raison du même écran avec des fentes. Nous simulons donc la cohérence due aux ondes secondaires du rayonnement lumineux primaire.

Deuxièmement, la largeur des fentes joue un rôle important, car avec son augmentation, l'éclairage de l'écran augmentera, c'est-à-dire qu'il sera plus difficile de distinguer les maxima et les minima du motif d'interférence. Par conséquent, la largeur doit être aussi proche que possible de la longueur d'onde de rayonnement.

Et troisièmement, la distance entre les fentes affecte la fréquence des franges d'interférence.

En conséquence, Thomas Jung a non seulement fourni des preuves de l'interférence de la lumière, mais a également généré encore plus de controverse entre les partisans des deux théories, corpusculaire et ondulatoire.

En fait, l'expérience de Jung ne s'est pas vraiment disputée (j'espère que les scientifiques peuvent aussi être des bagarreurs), mais a plutôt poussé à une étude encore plus approfondie de la lumière, de ses caractéristiques et de ses façons de l'expliquer.

Avec l'intérêt croissant pour la physique quantique, l'expérience de Jung a reçu une autre théorie dans sa tirelire - quantique. Et ici, le fantasme ne nous aidera pas beaucoup, car il est extrêmement difficile d'imaginer une balle pour l'airsoft, capable d'être à la fois une particule et une vague, et séparée et connectée, et le diable sait quoi faire d'autre. L'essentiel, c'est que les scientifiques ont décidé de mener une expérience de Jung avec un électron, en l'utilisant à la place de la lumière.

Les scientifiques ont "tiré" sur un électron, de sorte qu'ils n'ont pas eu l'occasion d'interagir les uns avec les autres. En chemin, ils avaient le même écran avec deux emplacements que dans l'expérience classique de Jung, puis un écran pour visualiser les résultats.

Logiquement, les électrons uniques qui tombent dans les fentes devraient former deux zones d'impact sur l'écran, c'est-à-dire comme dans la théorie corpusculaire. Cependant, nous savons que la théorie quantique et la logique classique divergent souvent. Le résultat de l'expérience avec les électrons a été un grand nombre de zones d'impact, c'est-à-dire, comme dans la théorie des ondes. En d'autres termes, un électron est à la fois une particule et une onde (onde de Broglie, pour être plus précis) à la fois. Ainsi, l'électron est dans un état de superposition quantique, c'est-à-dire qu'il a plusieurs états à la fois qui ne peuvent pas être réalisés simultanément du point de vue de la physique classique. Oui, il semble parfois que les physiciens classiques et quantiques soient Ludwig van Beethoven et Ozzy Osbourne - tous deux cool, mais à bien des égards très différents.


Thomas Jung ne pouvait apparemment pas imaginer jusqu'où irait son expérience et combien il pourrait en dire. Et maintenant, nous allons considérer les actions de nos contemporains qui ont décidé d'appliquer l'expérience de Thomas Young pour mettre en œuvre un nouveau type de spectroscopie aux rayons X.

Base d'étude

Un exemple frappant de quelque chose appartenant à la fois aux particules et aux ondes en mécanique quantique est la diffusion inélastique des rayons X (RIXS). En termes de particules dans RIXS, un photon à rayons X pousse un électron du noyau d'un atome dans la coquille de valence. À ce moment, un état atomique hautement excité se forme dans lequel il y a un «vide» très localisé de plusieurs picomètres. Un tel état intermédiaire se désintègre très rapidement, ce qui correspond au fait que le vide est rempli d'un électron de valence lors de la réémission du photon. L'état excité final peut correspondre à une excitation orbitale, magnétique ou interbande.

Les chercheurs se concentrent sur l'étude des ondes de rayons X se propageant à travers l'état intermédiaire localisé susmentionné, et après formation d'interférences.

Les scientifiques nous transfèrent un peu dans le passé, plus précisément dans les années 90. Selon eux, cela est devenu évident même alors - même si la diffusion dans RIXS est inélastique, et que le trou dans le noyau de l'atome (pour mieux l'appeler le terme «vacance») est très local, alors les amplitudes de sa formation et de son annihilation doivent encore être résumées de manière cohérente en utilisant des ions identiques participant dans la délocalisation de l'état d'éveil final. Pour toutes ces raisons, des interférences sont possibles.


Image n ° 1

Et déjà en 1994, la manifestation d'interférence pour RIXS dans les molécules diatomiques était supposée, ce qui correspond à l'expérience de Jung. Cela est possible du fait que l'état intermédiaire de RIXS contient une seule vacance du noyau, qui peut se trouver sur l'un des deux atomes de la molécule (image n ° 1). Dans l'état final, l'électron est sur une orbite moléculaire excitée, qui est délocalisée à deux atomes. Le rayonnement X crée une interférence sous la forme d'une oscillation d'interférence sinusoïdale sur le graphique.

Le Ba ₃ CeIr ₂ O ₉ (BCIO), un isolant, qui est un solide cristallin à structure électronique quasi-moléculaire ( 2A ), a été choisi comme principal sujet expérimental. De telles caractéristiques permettent de considérer beaucoup plus clairement les interférences, ce qui est un signe clair de la symétrie des excitations électroniques à basse énergie.

Résultats de recherche

Donc, pour commencer, les scientifiques ont cultivé des cristaux BCIO individuels. Chacun des ions Ir ⁴⁺ à l'intérieur des dimères structuraux a montré une configuration 5d ⁵ avec une lacune dans la coquille t _2g .


Image n ° 2

Les scientifiques notent que la distance minimale entre les ions voisins (Ir-Ir) était de 2,5 Å. En conséquence, l'interaction ionique intradimère est suffisamment forte et favorise la formation d'orbitales quasi moléculaires avec une forte séparation liaison-anti-liaison. Cette situation est très différente de celle où il y a un Ir ⁴⁺ , lorsqu'un fort couplage spin-orbite (λ ≈ 0,4-0,5 eV) sépare le collecteur t _2g local et conduit à un enchevêtrement spin-orbite j = 1/2 moments ( 2B ).

Dans le cas d'une forte interaction spin-orbite, les états de liaison / anti-liaison peuvent se former à partir de l'état j = 1/2 enchevêtré orbital-spin ( 2D ). Cependant, une forte interaction Ir-Ir peut éteindre j = 1/2 moments. Dans ce cas, les orbitales t _2g deviennent une base beaucoup plus appropriée pour la formation d'états de liaison / anti-liaison ( 2C ).


Image n ° 3

Dans l'image 3A, nous pouvons voir les résultats RIXS de l'échantillon Ba ₃ CeIr ₂ O ₉ avec un rayonnement fixe accordé sur le bord L3 de Ir (2p → 5d), ce qui améliore de manière résonnante la diffusion inélastique des excitations à l'intérieur de t _2g . 5d t _2g - e ^δ _{g se} divisant au-dessus de 3 eV, tandis que les fonctions observées ( a , B et ℽ sur le graphique) sont comprises entre 0,5 et 1,5 eV. Ainsi, ils peuvent être attribués à des excitations intr-t _2g . Il convient également de noter que le graphique n'a pas de caractéristiques caractéristiques des moments individuels j = 1/2, et que le pic d'excitation spin-orbite atteint un maximum de 1,5 λ.

Les chercheurs notent une autre observation importante: l'intensité intégrée des fonctions montre des caractéristiques prononcées de l'interférence de deux rayons, en d'autres termes, une oscillation sinusoïdale claire en fonction de q _c ( 3B ). Ainsi, nous avons l'expérience de Jung, seulement dans ce cas, au lieu de la distance entre les fentes, nous avons la distance entre les ions (Ir-Ir).

Cette étude est l'une des plus difficiles de celles que j'ai rencontrées.Par conséquent, je vous recommande vivement de lire le rapport des scientifiques et des documents supplémentaires si vous êtes intéressé par les détails, les nuances et les détails de ce travail.

Épilogue

Les scientifiques pensent que la caractéristique la plus importante de l'interférométrie RIXS est la capacité de déterminer la symétrie des excitations à basse énergie, ce qui permet de distinguer deux variantes différentes des orbitales décrites dans les images 2C et 2D.

Bien entendu, l'étude de la nouvelle méthode de spectroscopie aux rayons X ne s'arrêtera pas là, car les scientifiques ne décrivent que légèrement la pointe de l'iceberg. D'autres expériences avec d'autres types de matériaux pourraient ouvrir de nouvelles voies de mise en œuvre de cette technique. Dans tous les cas, l'amélioration des dernières techniques pour étudier les propriétés physiques d'objets, même supposés déjà étudiés, est une bonne chose.

De plus, cette étude était un exemple clair du fait que les découvertes et les observations faites il y a plusieurs siècles sont toujours capables non seulement de surprendre, mais aussi d'être incroyablement utiles pour créer de nouvelles technologies, techniques, etc.

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