Дифракция частиц на свете: 70 лет от идеи до эксперимента

Согласно квантовой науке, все частицы могут проявлять волновые свойства, тогда как волны могут вести себя подобно частицам ("дуализм частица-волна"). Мало кто знает, что еще сэр Исаак Ньютон был активным проповедником корпускулярной природы света. Но лишь в начале двадцатого века смутные догадки обрели прочный фундамент — квантовую механику.

Самое наглядное проявление волновой природы того или иного объекта — это явление дифракции. Проще всего наблюдать дифракцию света. Например, взглянув на компакт-диск, можно увидеть радугу, возникающую из-за дифракции световых лучей на регулярно расположенных "дорожках", расстояние между которыми сравнимо с длиной волны света. Когерентное сложение световых волн, рассеянных под определенными углами, и приводит к появлению радужного узора на поверхности компакт-диска.

Но если волны могут вести себя как частицы, а частицы — как волны, то дифракция должна иметь место и в том случае, если в только что рассмотренном примере мы поменяем местами свет и вещество, а именно — рассмотрим дифракцию частиц на свете. Конечно, изготовить компакт-диск из светового луча нам вряд ли удастся, но сама идея представляется довольно любопытной, хотя и (на первый взгляд) — весьма фантастичной. Эта идея была впервые высказана почти 70 лет назад в работе [1] двух крупнейших физиков прошлого века — П.Л. Капицы и П.А. Дирака (так и оставшейся их единственной совместной статьей). Для создания дифракционной решетки из света Капица и Дирак предложили использовать стоячую световую волну, образованную излучением ртутной лампы, а роль дифрагирующих частиц по их замыслу должны были играть электроны: периодически расположенные в пространстве пучности и нули осциллирующего электрического поля и образуют "решетку" для рассеяния электронов.

Однако впервые эффект Капицы-Дирака был экспериментально продемонстрирован не для электронов, а для атомов [2]. Это связано с тем, что свободные электроны чрезвычайно слабо взаимодействуют с оптическим излучением. Поэтому "оптическая дифракционная решетка" для них является практически прозрачной (тогда как рассеивающая сила, которая действует со стороны стоячей световой волны на атомы, может быть искусственно увеличена в миллиарды раз, если энергия кванта света близка к энергии внутриатомных переходов).

Первоначальная идея Капицы и Дирака была реализована лишь в третьем тысячелетии. Авторам работы [3], недавно опубликованной в журнале "Nature", все же удалось с помощью различных экспериментальных ухищрений зарегистрировать дифракционную картину, образованную при взаимодействии электронного пучка со светом. Значение работы [3] состоит не только в экспериментальной демонстрации старой теоретической идеи, но и в том, что она указывает новый практический способ манипуляции квантовыми состояниями. Это может быть использовано в таких передовых областях современной науки как квантовые вычисления, атомные лазеры и т.д.

1.P.L.Kapitza, P.A.Dirac, Proc. Camb. Philos. Soc., 1933, 29, p.297
2.P.L.Gold et al., Phys. Rev. Lett., 1986, 56, p.827
3.D.L.Freimund et al., Nature, 2001, 413, p.142

From: News in via PERST

M. Remizov