Новости науки 02.11.01. Атомная оптика: от простого к сложному.

В результате взаимодействия света с материальной структурой (например, дифракционной решеткой) можно наблюдать дифракционную картину. Однако возможно перевернуть все "с ног на голову" - в результате взаимодействия частиц со структурами, созданными светом, также наблюдается дифракция. Причем, как показали недавние эксперименты ученых из университета Вены, удается наблюдать дифракцию не только для атомов, но и для таких сложных молекул, как фуллерены.

Рис.1. Схема эксперимента. Из потока молекул, получаемого при нагревании газа до температуры 900 K, выделяется молекулы со средней скоростью около 120 м/с, полученный молекулярный пучок, который коллимируется с помощью двух вертикальных щелей, попадает на оптическую стоячую волну.

В основе атомной оптики лежит известный факт - движущейся частице может быть приписана определенная (дебройлевская) длина волны l = h/p. Экспериментально эффекты, связанные с волновыми свойствами частиц, были продемонстрированы еще в конце 20-х - начале 30-х годов прошлого века. В последние десятилетия атомная оптика активно развивается; наверно, важнейшим достижением последнего времени является создание атомных лазеров - источников когерентных материальных волн (моноэнергетичных коллимированных пучков атомов). В нашей недавней заметке о Нобелевской премии по физике этого года, присужденной за достижение Бозе-конденсации в разреженных газах щелочных металлов, кратко говорится и о принципах работы подобных источников когерентных материальных волн. Появление атомных лазеров может сыграть большую роль для развития атомной литографии, интерферометрии, голографии, микроскопии и пр. Впрочем, и до появления атомных лазеров сделано было немало.

Одним из инструментов, используемых для исследования оптики атомных пучков, являются фазовые дифракционные решетки, создаваемые оптической стоячей волной. Дифракцию материальных волн на такой структуре, созданной светом, можно понять по аналогии с дифракцией света на ультразвуке, когда периодическое изменение показателя преломления среды под действием ультразвука приводит к модуляции фазы прошедшей волны. Однако, все исследования со "световыми" фазовыми дифракционными решетками проводились до сих пор на достаточно простых объектах - атомах. Австрийские ученые сделали следующий шаг - их эксперименты доказывают [1], что подобная техника применима и к гораздо более сложным объектам, таким, как молекулы фуллеренов C₆₀ и C₇₀.

Рис.2. Экспериментальные (квадраты) и расчетные (сплошная линия) дифракционные картины для различных мощностей лазера.

Получаемый с помощью обычного термического источника молекулярный пучок проходил через фазовую дифракционную решетку, созданную излучением мощного аргонового лазера; дифракционная картина набюдалась c помощью детектора, регистрировавшего приход ионизированных мощным (17 Вт) сфокусированным лазерным лучом молекул (схема эксперимента приведена на рис. 1). На рис. 2 показаны дифракционные картины для молекул C₆₀, полученные при разных мощностях лазера, что соответствует изменению характеристик дифракционной решетки.

Проведенные эксперименты важны для развития атомной оптики, так как они в принципе открывают возможность исследовать дифракцию частиц с размерами, сопоставимыми с длиной волны света, формирующего фазовую дифракционную решетку (сотни нанометров). Достаточно интересным направлением исследований может стать и изучение влияния внутренней структуры и свойств молекул на их "волновые" свойства.

1. Olaf Nairz, Bjorn Brezger, Markus Arndt, and Anton Zeilinger. Phys.Rev.Lett. v.87, 160401 (2001).

перейти к началу страницы