Una fotografía del equipo de investigación tomada dentro de un laboratorio en Fritz-Haber-Institute, en Berlín. Crédito:Lee et al.
Investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST), en Corea, y Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, en Alemania, Recientemente han realizado un estudio que investiga la difracción de ondas de materia a partir de una matriz periódica de medios planos. Su papel Publicado en Cartas de revisión física ( PRL ), informes sobre la reflexión y difracción de He y D 2 vigas de rejillas de onda cuadrada de un período de 400 μm y anchos de banda que oscilan entre 10 y 200 μm en condiciones de incidencia de pastoreo.
"Nuestro experimento se basa en la dualidad onda-partícula, que es un concepto básico en mecánica cuántica, "Wieland Schöllkopf, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "La idea de que las partículas microscópicas, como los electrones, neutrones Los átomos o incluso las moléculas exhiben un comportamiento ondulatorio que se remonta a la década de 1920, cuando Louis de Broglie introdujo la longitud de onda de las partículas, que hoy se conoce como la 'longitud de onda de De Broglie' ".
Desde que De Broglie desarrolló por primera vez su teoría, Los investigadores han llevado a cabo numerosos experimentos observando difracción e interferencia, dos fenómenos ondulatorios que no se pueden explicar en una imagen de partículas. El principal objetivo del estudio realizado por Schöllkopf y sus colegas fue investigar nuevos métodos de difracción de ondas de materia que permitan una manipulación coherente de haces atómicos y moleculares.
"Observamos la difracción de átomos de He y D 2 moléculas que se dispersan desde una estructura de rejilla, "Schöllkopf explicó." Este último está formado por una matriz periódica de película de polímero estructurada sobre un sustrato de vidrio recubierto de oro. Una variedad de estructuras de rejilla, todos con idéntico período, pero que difieren en el ancho de las rayas de polímero, se hicieron en UNIST en Ulsan, Corea. Estas rejillas se utilizaron en el aparato de difracción del Fritz-Haber-Institut de Berlín. Alemania."
El aparato del Fritz-Haber-Institut permitió a los investigadores generar un intenso haz de He o D 2 con divergencia angular extremadamente estrecha. El rayo generado incide en la rejilla en condiciones de pastoreo, por eso, El componente de velocidad de las partículas perpendicular a la superficie de la rejilla es muy pequeño.
"En experimentos anteriores llevados a cabo en nuestro laboratorio, hemos observado reflexión y difracción coherentes de una estructura de rejilla en condiciones de incidencia de pastoreo, ", Dijo Schöllkopf." Esto se atribuyó a la 'reflexión cuántica, 'que es un mecanismo de reflexión diferente de la reflexión clásica ".
En la reflexión clásica, a medida que los átomos o moléculas se acercan a una superficie, se ven afectados por la fuerza de van der Waals de la superficie del átomo. Esta fuerza conduce a una aceleración hacia la superficie, con la partícula finalmente rebotando en la superficie. Por otra parte, en la reflexión cuántica, los átomos o moléculas ya rebotan en la región del espacio dominada por la fuerza de van der Waals.
Una imagen esquemática de la difracción de matriz de semiplano. Crédito:Lee et al.
"Este efecto cuántico contraintuitivo de las fuerzas atractivas, resultando efectivamente en el retroceso de la partícula, solo se puede observar si la velocidad incidente en la dirección perpendicular a la superficie es muy pequeña, ", Explicó Schöllkopf." Por eso, en nuestro experimento, sólo podemos observar la reflexión cuántica en condiciones de incidencia cercana al rasante ".
Un tercer mecanismo de reflexión, que difiere de la reflexión clásica y cuántica, se basa en la difracción de las ondas de De Broglie de átomos o moléculas de los bordes de los semiplanos, que son crestas muy estrechas en una superficie. Este mecanismo, observado por primera vez en Japón por el profesor Shimizu y sus colegas, ahora se conoce como "espejo de difracción de Fresnel" debido a su analogía con la difracción de borde de las ondas de luz en óptica.
En su estudio, Schöllkopf y sus colegas observaron patrones de difracción de onda de materia completamente resueltos, incluyendo reflexión especular y haces difractados hasta el segundo orden de difracción. También encontraron que a medida que disminuía el ancho de la tira, Eficiencias de difracción transformadas del régimen conocido de reflexión cuántica al régimen de difracción de borde.
"En nuestro experimento, observamos la transición de la reflexión cuántica para anchos relativamente grandes de las franjas de rejilla al régimen en anchos de franja pequeños donde domina la difracción de bordes, ", Dijo Schöllkopf." Además, además del reflejo especular (similar a un espejo) visto anteriormente, observamos intensos haces de difracción de rejilla hasta segundo orden ".
Los hallazgos experimentales recopilados por los investigadores confirman un modelo de parámetro único desarrollado previamente, que se usa comúnmente para describir una variedad de fenómenos, incluido el billar cuántico, dispersión de ondas de radio en áreas urbanas y el reflejo de ondas de materia de microestructuras. Es más, sus observaciones sugieren que ni los mecanismos de reflexión clásicos ni cuánticos son esenciales para la difracción reflectante de las ondas de materia de un sólido estructurado, ya que esto puede resultar exclusivamente de la difracción de borde de semiplano.
"Nuestras observaciones nos permitieron hacer un análisis cuantitativo de las eficiencias de reflexión y difracción, "Bum Suk Zhao de UNIST, el investigador principal del estudio, dijo Phys.org. "Esta, Sucesivamente, permitió una prueba experimental del modelo Bogomolny-Schmit de difracción de matriz de semiplano. Según esta descripción del modelo, el fenómeno es completamente escalable con respecto a la longitud de onda y las dimensiones de la matriz de semiplano. Como resultado, para un ángulo de incidencia dado, la dispersión de ondas de materia atómica de 1 nm de longitud de onda de Broglie de una matriz de períodos de 4 μm de semiplanos paralelos muestra efectos de difracción idénticos como, p.ej., la dispersión de ondas de radio de 1 cm de longitud de onda en edificios separados por 40 m ".
El estudio realizado por Schöllkopf, Zhao y sus colegas proporcionan una clara confirmación del modelo Bogomolny-Schmit. En el futuro, sus hallazgos también podrían usarse como un banco de pruebas para modelos de reflexión cuántica de superficies microestructuradas que deben tener en cuenta la difracción de borde de medio plano. En sus próximos estudios, los investigadores planean aplicar la difracción de matriz de medio plano a la investigación de moléculas débilmente unidas, como el dímero y el trímero de He.
"Debido a sus energías de enlace extremadamente pequeñas, estas moléculas de helio di- y triatómicas no son susceptibles de muchas herramientas experimentales, "Bum Suk Zhao explicó." Por ejemplo, dispersión clásica de Él 2 de una superficie sólida conducirá inevitablemente a la rotura. Para superar estas limitaciones, Se necesitan más técnicas experimentales que permitan la manipulación no destructiva de estas especies. La difracción de matriz de semiplano es un método muy adecuado para este propósito ".
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