Περίθλαση ηλεκτρονίων από το φως Laser

Από σελίδα του Physics Web, 7 Σεπτεμβρίου 2001

Το 1933 ο Kapitza και ο Dirac πρότειναν μιά μέθοδο για την περίθλαση των ηλεκτρονίων από ένα οπτικό στάσιμο κύμα που σχηματίσθηκε από μιά φωτεινή πηγή, ένας φακός ευθυγράμμισης και ένα καθρέπτη.

Για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκε φως για την σύμφωνη (coherent) περίθλαση ηλεκτρονίων, σχεδόν 70 χρόνια αφότου οι φυσικοί Kapitza και Dirac πρόβλεψαν το φαινόμενο. Η παρατήρηση κατέστη δυνατή με ισχυρά σύγχρονα lasers και αποδεικνύει την κυματική και σωματιδιακή φύση της ύλης. Ο Herman Batelaan και οι συνεργάτες του στο πανεπιστήμιο της Nebraska ελπίζουν να εκμεταλλευτούν το φαινόμενο για να κατασκευάσουν ένα συμβολόμετρο ηλεκτρονίων 10.000 φορές πιο ευαίσθητο από αυτά που υπάρχουν σήμερα και στηρίζονται στη συμβολή του φωτός. (D Freimund et al 2001 Nature 413 142).

Το 1933 οι Peter Kapitza και Paul Dirac πρόβλεψαν ότι ένα στάσιμο κύμα φωτός θα δρούσε ως φράγμα που μπορεί να περιθλά ηλεκτρόνια. Αλλά το φως αλληλεπιδρά ασθενικά με τα ηλεκτρόνια, κι έτσι οι πρώτες προσπάθειες που έγιναν για την ανίχνευση σύμφωνων ηλεκτρονίων που είχαν περιθλαστεί απέβησαν άκαρπες γιατί οι υπάρχουσες πηγές φωτός δεν ήταν αρκετά ισχυρές.

Για να σχηματίσουν το φράγμα, ο Batelaan και οι συνεργάτες του κατηύθυναν δύο ισχυρές δέσμες παλμών laser, τη μία εναντίον της άλλης ώστε να σχηματιστεί ένα στάσιμο κύμα με μήκος αρκετά mm. Τα μέγιστα αυτού του στάσιμου κύματος 266 nm το ένα από το άλλο. Η απόσταση αυτή ως γνωστόν είναι το μισό του μήκους κύματος της δέσμης laser. Μια στενή δέσμη ηλεκτρονίων κατευθύνθηκε μέσα από αυτό το φράγμα και οι ανιχνευτές που τοποθετήθηκαν 24cm πίσω από το φράγμα απεικόνισαν την κατανομή των ηλεκτρονίων που έπαθαν περίθλαση.

Όπως έλπιζε η ομάδα, η μορφή της κατανομής παρουσίαζε ένα κεντρικό μέγιστο ακολουθούμενο από πιο μικρές κορυφές, που απείχαν η μια από την άλλη 55μm όπως προβλεπόταν από το νόμο του Bragg. Τα ύψη των κορυφών διέφεραν λίγο από αυτά που προβλέπει η εξίσωση του Schrodinger, η οποία περιγράφει τόσο τη σωματιδιακή όσο και την κυματική συμπεριφορά της ύλης. Ο Batelaan και οι συνεργάτες του αποδίδουν αυτή την διαφορά σε ατελή επικάλυψη των δεσμών laser που σχηματίζουν το φράγμα.

Σημαντικό είναι ότι οι περιθλασμένες δέσμες των ηλεκτρονίων διατηρούν την ίδια σχέση φάσεων μεταξύ τους και μετά το πέρασμά τους από το φράγμα. Η συμβολομετρία η οποία αποτελεί έναν ισχυρό ανιχνευτή της δομής της ύλης στηρίζεται στο διαχωρισμό και την επανασύνθεση παρόμοιων σύμφωνων δεσμών. Αν οι φάσεις των δεσμών παραμένουν οι ίδιες, αυτές επανασυνθέτονται ενισχυτικά και δίνουν ένα ισχυρό σήμα. Αλλά αν η μια δέσμη περνά μέσα από ένα δείγμα υλικού, η φάση του αλλάζει, και οι δέσμες όταν ξανασυναντηθούν αναιρεί η μία την άλλη εν μέρει ή συνολικά και δίνουν ένα ασθενέστερο σήμα. Η ακριβής ένταση του σήματος αποκαλύπτει ορισμένες ιδιότητες της ύλης.

Όπως εξηγεί ο Batelaan, ένα ηλεκτρονικό συμβολόμετρο θα είναι εξαιρετικά πιο ευαίσθητο επειδή το μήκος κύματος που σχετίζεται με τα ηλεκτρόνια είναι περίπου 10.000 φορές μικρότερο από αυτό του φωτός. "Πολύ μικρά φαινόμενα θα προκαλούν μια μετατόπιση στη φάση της δέσμης των ηλεκτρονίων" λέει ο Batelaan. "Θα μπορούμε έτσι να ανιχνεύσουμε τα μικροσκοπικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία που σχετίζονται με άτομα και σωματίδια."