Японские физики использовали синхротронное излучение, чтобы увидеть двухщелевую интерференцию электронов во временной области. Для этого они создавали двухцветное когерентное излучение с помощью тандемного ондулятора и выбивали с его помощью электроны из газообразного гелия. Эффект проявлял себя в виде интерференционных полос в энергетическом спектре фотоэлектронов. Электроны попадали в анализатор поодиночке, а значит полосы — это следствие интерференции частиц самих с собой. Исследование опубликовано в Scientific Reports.
Эксперимент с двумя щелями сыграл важную роль в развитии как классической, так и квантовой физики. Еще в начале XIX века Томас Юнг показал, что пучок монохроматического света превращается на экране в систему интерференционных полос при прохождении через ширму с двумя прорезями. Этот эксперимент стал хрестоматийным доказательством волновых свойств света. В XX веке Ричард Фейнман рассуждал о квантовой интерференции на примере версии этого эксперимента с электронами. Его важной особенностью было то, что полосатая картина на экране появлялась даже тогда, когда через установку пролетала всего одна частица — электрон интерферировал сам с собой.
С тех пор физики не оставляют попытки не только провести этот опыт вживую с как можно большим числом объектов, но и развернуть его течение во временную область. Это сделали для пучка медленных атомов, электронных волновых пакетов и света (последнее произошло совсем недавно). Временной двухщелевой эксперимент с электронами особенно важен с концептуальной точки зрения, в особенности, когда интерферирует строго один электрон. Но последнему условию со сих пор ни одна экспериментальная группа не удовлетворила.
Впервые добиться такого удалось японским физикам под руководством Тацуо Канэясу (Tatsuo Kaneyasu) из Центра исследования синхротронного света Кюсю. Они исследовали интерференцию электронов, выбитых их атомов синхротронным излучением. Чтобы создать эффект двух щелей во временной области, физикам требовалось сделать поток фотонов, вылетающих из синхротрона, двухцветным, когерентным и слабым, чтобы фотоэлектроны выбивались по одному.
Само по себе синхротронное излучение обладает плохой когерентностью. Авторы преодолели эту трудность с помощью тандемного однулятора, встроенного в синхротрон — такая установка создает когерентный свет с двумя частотными компонентами. Излучение с длиной волны 43 нанометра, выходящее с двойного ондулятора, поступало на мишень с газообразным гелием, где приводила к его фотоионизации. Освободившиеся электроны затем попадали в анализатор, который оканчивался двумерным детектором. Детектор регистрировал электроны в разных точках экрана в зависимости от того, с какой энергией они прилетали.
Важной особенностью нового эксперимента стало то, что физики добились низкой скорости фотоионизации (одно событие за 10 наносекунд) за счет контроля частоты повторения синхротрона, давления газа, размера камеры и так далее. Это значение эквивалентно примерно одному электрону на волновой пакет, летящий в сторону анализатора. Несмотря на это, ученые убедились: интерференционные полосы в энергетической шкале возникают только тогда, когда работают обе части тандемного ондулятора.
Физики также показали, что интерференционной картиной можно управлять. Для этого они включали фазовращающий магнит, расположенный между частями тандема. Это дало возможность варьировать временной интервал между световыми импульсами в пределах нескольких фемтосекунд, что эквивалентно расстоянию между щелями в традиционном эксперименте. Интерференционная картина вела себя при этом согласно теоретическим расчетам.
Авторы надеются, что развитая ими техника на основе синхротронного излучения станет альтернативой традиционным фемтосекундным лазерным импульсам для диапазона экстремального ультрафиолета. Обычно с их помощью физики изучают тонкие эффекты при ионизации атомов и молекул.
