Иллюстрация: Wong, L.J. et al. / Nature Communications, 2021. Физики рассмотрели влияние квантовой интерференции на спектральные и пространственные свойства тормозного излучения при рассеянии электронов на атомах и наноондуляторах. Их расчеты показали, что придание состояниям налетающих электронов суперпозиционной формы способно влиять на направленность и монохроматичность тормозного излучения. Работа опубликована в Nature Communications, доступен также препринт. Квантовая электродинамика (КЭД) – это наиболее успешный и точный раздел квантовой теории поля. Он описывает электромагнитное взаимодействие во всех его проявлениях и процессах, участниками которых являются в основном электроны, позитроны и фотоны. Большинство КЭД-эффектов находят свое подтверждение в экспериментах по рассеянию частиц, будь то спектроскопия атомов или упругие столкновения. Начальные и конечные частицы при этом принято описывать состояниями с определенным импульсом, потому что, согласно квантовой механике, частица, которая достаточно долго летит без взаимодействия.

Например, в трубе спектрографа или в ускорителе), со временем стремится к такому состоянию. Это нашло свое отражение в том, что состояния с определенным импульсом лежат в основе вычислений, проводимых в КЭД.

Вместе с тем квантовая механика допускает состояния суперпозиции, в которых импульс частицы может быть неопределенным. Можно было бы ожидать, что суперпозиция состояний начальных частиц приведет к суперпозиции состояний конечных частиц и к соответствующим эффектам квантовой интерференции, однако такого никогда не наблюдалось в эксперименте. Причина этого в том, что интерференционные члены в сечении рассеяния зануляются из-за законов сохранения энергии и импульса.

Физики из Израиля, Сингапура и США при участии Томаса Кристенсена (Thomas Christensen) показали, что можно найти такой диапазон суперпозиционных состояний, при которых интерференционные члены останутся ненулевыми из-за одинакового баланса энергий и импульсов, и это повлияет на результат всего КЭД-процесса. Чтобы проверить свои догадки с помощью вычислений, они рассмотрели процесс тормозного излучения при рассеянии электрона на нейтральном атоме углерода и на наноондуляторе.

В качестве налетающей частицы авторы рассмотрели электрон в состоянии суперпозиции, состоящей из равной суммы двух состояний с определенным импульсом. Импульсы в обоих случаях равны по модулю, но отличаются по направлению на +15 и -15 градусов относительно оси рассеяния соответственно. Такие состояния можно получить голографическими методами в электронной микроскопии, либо с помощью бипризмы или иного аналога двух-щелевого эксперимента. Получившееся спектральное и пространственное распределение тормозного излучения авторы сравнили с двумя случаями: излучением от электрона в состоянии с определенным импульсом, направленным вдоль оси рассеяния, и излучением от электрона в таком же суперпозиционном состоянии, но без учета интерференционных членов (некогерентный случай).

Дифференциальное сечение тормозного излучения на атоме углерода для состояния с определенным импульсом (первая строка) и для некогерентного (вторая строка) и когерентного (третья строка) рассеяния. По оси абсцисс отложен угол относительно оси рассеяния, по оси ординат – энергия фотона. Wong, L.J. et al. / Nature Communications, 2021

Анализируя полученные зависимости дифференциальных сечений рассеяния на атоме углерода, которые пропорциональны интенсивности тормозного излучения, авторы заметили, что в когерентном случае излучение стремится распространяться вдоль оси рассеяния, в то время как в обычной ситуации и в некогерентном случае поле излучения принимает коническую форму. Такое поведение было обнаружено для разных энергий электронов.

Результаты, полученные при вычислении рассеяния на наноондуляторе, обнаружили другой эффект. Дело в том, что в спектрах излучения электронов, рассеиваемых на ондуляторах, помимо основной компоненты обычно наблюдается длинный «хвост», который напоминает спектр синхротронного излучения. Такой хвост был обнаружен в дифференциальных сечениях в случае состояния с определенным импульсом и в некогерентном случае, в то время как при когерентном рассеянии его не было.

Дифференциальное сечение тормозного излучения на нано-ондуляторе для состояния с определенным импульсом (первая строка) и для некогерентного (вторая строка) и когерентного (третья строка) рассеяния. По оси абсцисс отложен угол относительно оси рассеяния, по оси ординат – энергия фотона. Wong, L.J. et al. / Nature Communications, 2021

Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!