Суперпозиция электронного состояния изменила свойства тормозного излучения

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).

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.

Авторы отмечают, что обнаруженные эффекты похожи на эффекты, встречаемые в фотонных кристаллах, а также в процессах коллективного излучения свободных электронов. Однако ключевое отличие новой работы в том, что здесь речь идет о формировании суперпозиционного состояния у всего лишь одного электрона. Физики ожидают, что идея, представленная в работе, может быть расширена и на другие КЭД-процессы с участием протонов или ионов, равно как и на остальные разделы квантовой теории поля.

Квантовая электродинамика сыграла и продолжает играть важную роль в процессе нашего понимания физики микромира. Подробнее почитать об этом вы можете в нашем материале «Щель в доспехах».

Читайте также

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.