Вековой вызов "атомной дифракции" наконец решен благодаря графену

Этот эксперимент «фундаментально отличается» от всех предыдущих экспериментов по дифракции атомов.

Тысячелетиями мыслители спорили о том, состоит ли свет из частиц или волн. В начале XX века ученые поняли, что он является и тем, и другим: безмассовыми частицами и волнами. Еще более ошеломляющее открытие произошло несколько лет спустя, когда Луи де Бройль выдвинул идею о том, что все вещество также обладает волновыми свойствами.

Это было продемонстрировано Джорджем Паджетом Томсоном с его учеником Александром Ридом, а также независимо в эксперименте Дэвиссона-Джермера. Электроны, пропущенные через кристалл, могли дифрагировать подобно световым волнам, проходящим через жалюзи, или морским волнам, входящим в узкую гавань. Дифракция электронов стала революционной не только для фундаментальной физики, но и привела к развитию передовых технологий, таких как электронный микроскоп.

Дуализм волна-частица был продемонстрирован не только для электронов, но когда дело дошло до атомов и даже молекул, все стало сложнее. Электроны в 1800 раз легче самого легкого атома (открытие, сделанное отцом Томсона, Дж. Дж. Томсоном), поэтому они могут легче дифрагировать через кристаллическую решетку.

Дифракция атомов до сих пор наблюдалась только при отражении. Атомы отскакивали от поверхности с нанесенной на нее решеткой. Линии решетки не обязательно должны быть в 10 000 раз тоньше волоса, как у самых передовых приборов. Решеток с гораздо более крупными линиями, которые могли быть изготовлены еще в 1930-х годах, было достаточно для демонстрации этого явления. Однако исследователям до сих пор не удавалось продемонстрировать дифракцию атомов через кристалл.

В еще не прошедшей рецензирование статье Карина Каниц и ее коллеги из Института квантовых технологий и Венского университета продемонстрировали дифракцию атомов водорода и гелия, используя одноатомный слой графена. Атомы направляются перпендикулярно графеновому листу с высокой энергией. Казалось бы, это должно повредить кристалл, но этого не происходит, и в этом секрет успеха эксперимента.

«Несмотря на высокую кинетическую энергию атомов и взаимодействие с электронной системой графена, мы наблюдаем дифракционные картины, характеризующиеся когерентным рассеянием до восьми векторов обратной решетки. Дифракция в этом режиме возможна благодаря короткому времени взаимодействия снаряда с атомарно-тонким кристаллом, что ограничивает передачу импульса решетке», — пишут исследователи в своей статье.

По сути, благодаря особенностям квантовой механики, атомы с более высокой энергией могут легче дифрагировать через кристалл, не разрушая его.

Препринт, описывающий эксперимент, доступен на arXiv и еще не прошел рецензирование.