Gaung Masa Lalu: Pengalaman Muda di Dasar Metode Spektroskopi X-Ray Baru

Pada 1803, seorang pria menerbitkan sebuah karya di mana ia menggambarkan sebuah eksperimen yang membuktikan teori gelombang cahaya. Pria ini adalah Thomas Jung, dan pengalamannya disebut "eksperimen celah ganda". Lebih dari dua abad telah berlalu, tetapi percobaan Jung tidak dilupakan dan bahkan menjadi dasar metode baru spektroskopi sinar-X, yang memungkinkan studi yang lebih rinci tentang sifat fisik benda padat. Jadi, mengapa pengalaman Jung dianggap sebagai salah satu yang mendasar dalam fisika, bagaimana ilmuwan modern menggunakannya, dan apa yang datang darinya, kita pelajari dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Sedikit latar belakang

Seperti yang telah disebutkan, pada tahun 1803, Thomas Jung menerbitkan deskripsi tentang eksperimennya yang tidak biasa. Dan karena "dia yang tidak tahu masa lalu tidak memiliki masa depan", kami akan mempertimbangkan secara singkat pengalaman ini dengan Anda.


Thomas Jung

Jadi, untuk percobaan, hanya tiga hal yang diperlukan: cahaya, piring dengan dua slot vertikal dan layar proyeksi. Dalam hal ini, radiasi cahaya adalah monokromatik, yaitu, ia memiliki penyebaran frekuensi minimum. Cahaya diarahkan ke pelat dengan slot, yang lebarnya harus sedekat mungkin dengan panjang gelombang radiasi. Layar proyeksi diperlukan untuk mengamati hasilnya.

Dan di sini ada tabrakan dua teori cahaya - sel hidup dan gelombang.

Yang pertama mengasumsikan bahwa cahaya terdiri dari partikel. Dan yang kedua adalah gelombang. Berdasarkan masing-masing teori ini, kita harus mendapatkan hasil yang berbeda dalam pengalaman Jung.

Dan sekarang kita akan pasang beberapa fantasi. Bayangkan Anda bermain airsoft dengan layar berpengalaman kami dengan slot (ya, musuh tidak terlalu bagus darinya, tapi bukan itu intinya). Anda menembak dari senapan dengan bola, beberapa di antaranya memantul dari layar, dan beberapa melewati slot dan masuk ke layar proyeksi. Senapan adalah sumber radiasi cahaya. Bola adalah partikel cahaya. Jadi, pada layar kita melihat dua garis, yaitu dua area jatuh dari pistol.


Representasi skematis dari pengalaman Jung.

Dengan teori gelombang, itu masih lebih menarik, jadi Anda perlu lebih banyak imajinasi. Sekarang kamu bermain airsoft intergalaksi, dan senjatamu, aku minta maaf, blastermu menembakkan gelombang. Ketika Anda menembak gelombang di layar, dua slot menjadi awal (sumber) dari dua gelombang sekunder baru, yang sudah akan berpotongan di belakang layar. Dan di sini kita akan melihat di layar beberapa hasil berbeda sekaligus (area "hit"). Hasil ini adalah gangguan cahaya, tetapi membutuhkan kondisi tertentu.

Pertama, sumber cahaya (ada dua dalam percobaan) harus koheren, yaitu konsisten. Untuk membuat dua emisi cahaya yang koheren itu bermasalah, untuk sedikitnya. Oleh karena itu, satu sinar cahaya digunakan, yang dibagi menjadi dua karena layar yang sama dengan slot. Jadi kami mensimulasikan koherensi karena gelombang sekunder radiasi cahaya primer.

Kedua, lebar slot memainkan peran penting, karena dengan peningkatannya iluminasi layar akan meningkat, yaitu, akan lebih sulit untuk membedakan antara maksimum dan minimum dari pola interferensi. Oleh karena itu, lebarnya harus sedekat mungkin dengan panjang gelombang radiasi.

Dan ketiga, jarak antara slot mempengaruhi frekuensi pinggiran gangguan.

Akibatnya, Thomas Jung tidak hanya memberikan bukti adanya gangguan cahaya, tetapi juga menimbulkan lebih banyak kontroversi antara para pendukung kedua teori, sel-sel dan gelombang.

Faktanya, pengalaman Jung tidak benar-benar bertengkar (saya harap, bagi para ilmuwan juga bisa menjadi petarung), tetapi lebih mendorong untuk studi cahaya yang lebih dalam, fitur-fiturnya dan cara-cara menjelaskannya.

Dengan meningkatnya minat dalam fisika kuantum, eksperimen Jung menerima teori lain di celengannya - kuantum. Dan di sini fantasi tidak akan banyak membantu kita, karena sangat sulit untuk membayangkan bola untuk airsoft, mampu menjadi partikel dan gelombang, dan terpisah, dan terhubung, dan iblis tahu apa lagi yang harus dilakukan. Intinya adalah bahwa para ilmuwan memutuskan untuk melakukan percobaan Jung dengan elektron, menggunakannya sebagai pengganti cahaya.

Para ilmuwan "menembak" pada satu elektron, sehingga mereka tidak memiliki kesempatan untuk berinteraksi satu sama lain. Di perjalanan, mereka memiliki layar yang sama dengan dua slot seperti pada eksperimen klasik Jung, dan kemudian layar untuk memvisualisasikan hasil.

Logikanya, elektron tunggal yang jatuh ke dalam slot harus membentuk dua bidang dampak pada layar, yaitu, seperti dalam teori corpuscular. Namun, kita tahu bahwa teori kuantum dan logika klasik sering berbeda. Hasil percobaan dengan elektron adalah banyak bidang dampak, yaitu, seperti dalam teori gelombang. Dengan kata lain, elektron adalah partikel dan gelombang (gelombang de Broglie, lebih tepatnya) pada saat yang sama. Dengan demikian, elektron berada dalam keadaan superposisi kuantum, yaitu memiliki beberapa keadaan sekaligus yang tidak dapat diwujudkan secara bersamaan dari sudut pandang fisika klasik. Ya, kadang-kadang tampak bahwa fisikawan klasik dan kuantum adalah Ludwig van Beethoven dan Ozzy Osbourne - keduanya keren, tetapi dalam banyak hal sangat berbeda.


Thomas Jung rupanya tidak bisa membayangkan seberapa jauh pengalamannya, dan seberapa banyak yang bisa dia katakan. Dan sekarang kita akan mempertimbangkan tindakan rekan seangkatan kita yang memutuskan untuk menerapkan pengalaman Thomas Young untuk menerapkan jenis baru spektroskopi x-ray.

Dasar studi

Contoh mencolok dari sesuatu yang termasuk partikel dan gelombang dalam mekanika kuantum adalah hamburan sinar-x (RIXS) yang inelastis. Dalam hal partikel dalam RIXS, foton sinar-X mendorong elektron dari inti atom ke kulit valensi. Pada saat ini, keadaan atom yang sangat bersemangat terbentuk di mana ada "kekosongan" yang sangat lokal dari beberapa pikometer dalam ukuran. Keadaan antara seperti itu meluruh sangat cepat, yang sesuai dengan fakta bahwa kekosongan diisi dengan elektron valensi pada saat emisi ulang foton. Keadaan tereksitasi akhir mungkin sesuai dengan eksitasi orbital, magnetik, atau interband.

Para peneliti memfokuskan pada studi gelombang x-ray yang merambat melalui keadaan perantara terlokalisasi tersebut, dan setelah membentuk interferensi.

Ilmuwan memindahkan kita sedikit ke masa lalu, lebih tepatnya di tahun 90-an. Menurut mereka, itu menjadi jelas bahkan saat itu - bahkan jika hamburan tidak elastis di RIXS, dan lubang di inti atom (lebih baik menyebutnya istilah "lowongan") sangat lokal, maka amplitudo pembentukan dan pemusnahannya masih harus disimpulkan secara koheren dengan menggunakan ion yang sama yang berpartisipasi. dalam delokalisasi keadaan akhir gairah. Karena semua ini, gangguan mungkin terjadi.


Gambar No. 1

Dan sudah pada tahun 1994, manifestasi gangguan untuk RIXS dalam molekul diatomik diasumsikan, yang sesuai dengan eksperimen Jung. Hal ini dimungkinkan karena fakta bahwa keadaan tengah RIXS mengandung kekosongan tunggal dari nukleus, yang dapat berada pada salah satu dari dua atom dalam molekul (gambar No. 1). Pada keadaan akhir, elektron berada pada orbital molekul tereksitasi, yang terdelokalisasi pada dua atom. Radiasi sinar-X menciptakan interferensi dalam bentuk osilasi interferensi sinusoidal pada grafik.

Ba ₃ CeIr ₂ O ₉ (BCIO), isolator, yang merupakan padatan kristal dengan struktur elektronik quasimolecular ( 2A ), dipilih sebagai subjek eksperimen utama. Karakteristik semacam itu memungkinkan untuk mempertimbangkan gangguan dengan lebih jelas, yang merupakan tanda yang jelas dari simetri rangsangan elektronik berenergi rendah.

Hasil penelitian

Jadi, sebagai permulaan, para ilmuwan telah menumbuhkan kristal BCIO individu. Masing-masing ion Ir ⁴⁺ di dalam dimer struktural menunjukkan konfigurasi 5d ⁵ dengan satu kekosongan pada kulit t _2g .


Gambar No. 2

Para ilmuwan mencatat bahwa jarak minimum antara ion tetangga (Ir-Ir) adalah 2,5 Å. Dengan demikian, interaksi ionik intradimerik cukup kuat dan mendorong pembentukan orbital kuasi-molekul dengan pemisahan ikatan-ikatan yang kuat. Situasi ini sangat berbeda dengan ketika ada satu Ir ⁴⁺ , ketika kopling spin-orbit yang kuat (λ ≈ 0,4-0,5 eV) memisahkan manifold t _2g lokal dan mengarah ke spin-orbit yang terjerat j = 1/2 momen ( 2B ).

Dalam kasus interaksi putaran-orbit yang kuat, keadaan ikatan / antibinding dapat terbentuk dari spin-orbital-terjerat j = 1/2 keadaan ( 2D ). Namun, interaksi Ir-Ir yang kuat dapat memadamkan j = 1/2 saat. Dalam hal ini, orbital t _2g menjadi dasar yang jauh lebih cocok untuk pembentukan keadaan ikatan / anti-ikatan ( 2C ).


Gambar No. 3

Pada gambar 3A, kita dapat melihat hasil RIXS dari sampel Ba ₃ CeIr ₂ O ₉ dengan radiasi tetap disetel ke tepi L3 Ir (2p → 5d), yang secara resonansi meningkatkan hamburan inelastik dari eksitasi di dalam t _2g . 5d t _2g - e ^δg membelah di atas 3 eV, sementara fungsi yang diamati ( a , B dan ℽ pada grafik) berada dalam kisaran 0,5 ... 1,5 eV. Dengan demikian, mereka dapat dikaitkan dengan kesenangan intr-t _2g . Perlu juga dicatat bahwa grafik tidak memiliki karakteristik fitur individu j = 1/2 momen, dan puncak eksitasi spin-orbit mencapai maksimum 1,5 λ.

Peneliti mencatat pengamatan penting lainnya: intensitas fungsi yang terintegrasi menunjukkan fitur yang jelas dari gangguan dua sinar, dengan kata lain, osilasi sinusoidal yang jelas sebagai fungsi dari qc ( 3B ). Dengan demikian, kami mendapat pengalaman Jung, hanya dalam kasus ini, alih-alih jarak antara slot, kami memiliki jarak antara ion (Ir-Ir).

Studi ini adalah salah satu yang paling sulit dari yang saya temui, oleh karena itu, saya sangat menyarankan Anda membaca laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu jika Anda tertarik pada detail, nuansa dan detail dari pekerjaan ini.

Epilog

Para ilmuwan percaya bahwa fitur paling penting dari interferometri RIXS adalah kemampuan untuk menentukan simetri dari rangsangan berenergi rendah, yang membantu membedakan dua varian orbital berbeda yang dijelaskan dalam gambar 2C dan 2D.

Tentu saja, studi tentang metode baru spektroskopi x-ray tidak akan berakhir di sana, karena para ilmuwan hanya sedikit menggambarkan ujung gunung es. Eksperimen lebih lanjut dengan jenis bahan lain dapat membuka cara baru untuk menerapkan teknik ini. Bagaimanapun, meningkatkan teknik terbaru untuk mempelajari sifat fisik objek yang bahkan sudah dipelajari (seharusnya) adalah hal yang baik.

Selain itu, penelitian ini adalah contoh nyata dari fakta bahwa penemuan dan pengamatan yang dilakukan beberapa abad yang lalu masih tidak hanya mengejutkan, tetapi juga sangat berguna untuk menciptakan teknologi baru, teknik, dll.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu, terlepas dari kerumitan materi yang Anda minati :), dan minggu kerja yang luar biasa untuk semua orang, kawan.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim semi gratis ketika membayar selama setengah tahun, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?