Una fotografia del gruppo di ricerca scattata all'interno di un laboratorio del Fritz-Haber-Institute, a Berlino. Credito:Lee et al.
Ricercatori dell'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), in Corea, e Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, in Germania, hanno recentemente condotto uno studio sulla diffrazione materia-onda da una serie periodica di semipiani. La loro carta, pubblicato su Lettere di revisione fisica ( PRL ), relazioni sulla riflessione e la diffrazione di He e D 2 fasci da reticoli ad onda quadra di un periodo di 400 μm e larghezze di striscia comprese tra 10 e 200 μm in condizioni di incidenza radente.
"Il nostro esperimento si basa sulla dualità onda-particella, che è un concetto base della meccanica quantistica, " Wieland Schöllkopf, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "L'idea che particelle microscopiche come gli elettroni, neutroni, gli atomi o anche le molecole mostrano un comportamento ondulatorio risale agli anni '20, quando Louis de Broglie introdusse la lunghezza d'onda delle particelle, che oggi è indicata come la 'lunghezza d'onda di de Broglie'".
Da quando de Broglie sviluppò per la prima volta la sua teoria, i ricercatori hanno effettuato numerosi esperimenti osservando la diffrazione e l'interferenza, due fenomeni ondulatori che non possono essere spiegati in un'immagine particellare. L'obiettivo principale dello studio condotto da Schöllkopf e dai suoi colleghi era studiare nuovi metodi di diffrazione materia-onda che consentono una manipolazione coerente dei fasci atomici e molecolari.
"Abbiamo osservato la diffrazione degli atomi di He e D 2 molecole che si disperdono da una struttura a reticolo, " ha spiegato Schöllkopf. "Quest'ultimo è formato da una serie periodica di film polimerici strutturati su un substrato di vetro rivestito d'oro. Una varietà di strutture a griglia, tutti con identico periodo, ma differendo nella larghezza delle strisce polimeriche, sono stati realizzati all'UNIST di Ulsan, Corea. Questi reticoli sono stati utilizzati nell'apparato di diffrazione al Fritz-Haber-Institut di Berlino, Germania."
L'apparato del Fritz-Haber-Institut ha permesso ai ricercatori di generare un intenso fascio di He o D 2 con divergenza angolare estremamente stretta. Il raggio generato è incidente al reticolo in condizioni di pascolo, quindi, la componente della velocità delle particelle perpendicolare alla superficie del reticolo è molto piccola.
"In precedenti esperimenti effettuati presso il nostro laboratorio, abbiamo osservato riflessione e diffrazione coerenti da una struttura a reticolo in condizioni di incidenza radente, " ha detto Schöllkopf. "Questo è stato attribuito alla 'riflessione quantistica, ' che è un meccanismo di riflessione diverso dalla riflessione classica."
Nella riflessione classica, quando gli atomi o le molecole si avvicinano a una superficie, sono influenzati dalla forza di van der Waals sulla superficie dell'atomo. Questa forza porta ad un'accelerazione verso la superficie, con la particella che alla fine rimbalza dalla superficie. D'altra parte, nella riflessione quantistica, gli atomi o le molecole già rimbalzano dalla regione dello spazio dominata dalla forza di van der Waals.
Un'immagine schematica della diffrazione dell'array half-plane. Credito:Lee et al.
"Questo effetto quantistico controintuitivo delle forze attrattive, con conseguente efficace rinculo della particella, può essere osservata solo se la velocità incidente nella direzione perpendicolare alla superficie è molto piccola, " ha spiegato Schöllkopf. "Ecco perché, nel nostro esperimento, possiamo solo osservare la riflessione quantistica in condizioni di incidenza quasi radenti".
Un terzo meccanismo di riflessione, che differisce dalla riflessione classica e quantistica, si basa sulla diffrazione delle onde di de Broglie di atomi o molecole dai bordi di semipiani, che sono creste molto strette su una superficie. Questo meccanismo, osservato per la prima volta in Giappone dal Prof. Shimizu e dai suoi colleghi, è ora indicato come "specchio di diffrazione di Fresnel" per la sua analogia con la diffrazione del bordo delle onde luminose in ottica.
Nel loro studio, Schöllkopf e i suoi colleghi hanno osservato modelli di diffrazione materia-onda completamente risolti, compresa la riflessione speculare e i fasci diffratti fino al secondo ordine di diffrazione. Hanno anche scoperto che man mano che la larghezza della striscia diminuiva, efficienze di diffrazione trasformate dal noto regime di riflessione quantistica al regime di diffrazione dei bordi.
"Nel nostro esperimento, abbiamo osservato la transizione dalla riflessione quantistica per larghezze relativamente grandi delle strisce del reticolo al regime a piccole larghezze delle strisce dove domina la diffrazione dei bordi, " ha detto Schöllkopf. "Inoltre, oltre al riflesso speculare (a specchio) visto in precedenza, abbiamo osservato fasci di diffrazione a reticolo intenso fino al secondo ordine."
I risultati sperimentali raccolti dai ricercatori confermano un modello a parametro singolo precedentemente sviluppato, che è comunemente usato per descrivere una varietà di fenomeni, compreso il biliardo quantistico, diffusione delle onde radio nelle aree urbane e riflessione delle onde di materia dalle microstrutture. Inoltre, le loro osservazioni suggeriscono che né i meccanismi di riflessione classici né quelli quantistici sono essenziali per la diffrazione riflettente delle onde di materia da un solido strutturato, in quanto ciò può derivare esclusivamente dalla diffrazione del bordo semipiano.
"Le nostre osservazioni ci hanno permesso di fare un'analisi quantitativa delle efficienze di riflessione e diffrazione, "Bum Suk Zhao dell'UNIST, il principale investigatore dello studio, ha detto a Phys.org. "Questo, a sua volta, consentito per un test sperimentale del modello Bogomolny-Schmit di diffrazione di array semipiani. Secondo questa descrizione del modello il fenomeno è completamente scalabile rispetto alla lunghezza d'onda e alle dimensioni dell'array half-plane. Di conseguenza, per un dato angolo di incidenza, la diffusione di onde di materia atomica di lunghezza d'onda di 1 nm de Broglie da una matrice di 4 μm di periodo di semipiani paralleli mostra effetti di diffrazione identici come, per esempio., la diffusione di onde radio di 1 cm di lunghezza d'onda da edifici separati da 40 m."
Lo studio condotto da Schöllkopf, Zhao e i loro colleghi forniscono una chiara conferma del modello Bogomolny-Schmit. Nel futuro, i loro risultati potrebbero essere utilizzati anche come banco di prova per modelli di riflessione quantistica da superfici microstrutturate che devono tenere conto della diffrazione del bordo semipiano. Nei loro studi successivi, i ricercatori hanno in programma di applicare la diffrazione dell'array half-plane allo studio di molecole debolmente legate, come il dimero e il trimero di He.
"A causa delle loro energie di legame estremamente piccole, queste molecole di elio di- e triatomico non sono suscettibili di molti strumenti sperimentali, " Bum Suk Zhao ha spiegato. "Per esempio, diffusione classica di He 2 da una superficie solida porterà inevitabilmente alla rottura. Per superare questi limiti, sono necessarie tecniche più sperimentali che consentano la manipolazione non distruttiva di queste specie. La diffrazione a semipiano è un metodo adatto a questo scopo".
© 2019 Scienza X Rete
