Физики из Германии и Китая экспериментально обнаружили сверхбыстрый эффект Капицы — Дирака. Для этого они отслеживали пространственно-временную эволюцию импульсного электронного волнового пакета, дифрагированного 60-фемтосекундным импульсом стоячей световой волны. Статья об открытии опубликована в журнале Science.
Эта новость появилась на N + 1 при поддержке ежегодной Национальной премии в области будущих технологий «Вызов». В 2023 году ее присудили за ионный квантовый процессор, магниты из высокотемпературного сверхпроводника, вычислительные устройства на основе поляритонов и оптический транзистор, а также открытия, позволившие создать новые подходы для лечения заболеваний мозга
В 1927 году Дэвиссон и Гермер увидели дифракцию электронов на кристалле никеля, и тем самым продемонстрировали наличие волновых свойств у электронов. Вскоре после этого Капица и Дирак предположили, что электроны могут также давать дифракционную картину, рассеиваясь на стоячей световой волне из-за вынужденного комптоновского обратного рассеяния фотонов. Сегодня это явление носит название эффект Капицы — Дирака и в оригинальной формулировке считалось, что оно не зависит от времени.
Физики из Германии и Китая под руководством Райнхарда Дернера (Reinhard Dörner) из Франкфуртского Университета имени Гёте обнаружили зависимую от времени дифракцию электронов на стоячих световых волнах. Для этого ученые создавали при помощи встречных лазерных пучков интенсивную импульсную стоячую световую волну — импульс накачки, который ионизировал атомы ксенона и генерировал электронный волновой пакет. После изменяемой задержки по времени генерировалась более слабая импульсная стоячая световая волна величиной 60 фемтосекунд, на которой рассеивались электроны ионизации. Трехмерные импульсы электронов регистрировали при помощи реакционного микроскопа (COLTRIMS).
В результате ученые зарегистрировали дифракционную картину, изменяющуюся во времени — сверхбыстрый эффект Капицы — Дирака. Этот эффект принципиально отличается от обычного тем, что в импульсном пространстве последний генерирует чрезвычайно узкие боковые полосы. Поскольку эти боковые полосы и исходное импульсное распределение электрона не перекрываются, интерференция этих вкладов невозможна. Однако в случае сверхбыстрого эффекта Капицы — Дирака сдвиг импульса намного меньше ширины исходного электронного волнового пакета. Это приводит к интерференции начального и рассеянного вкладов.
Ученые отмечают, что этот эффект можно использовать в качестве мощного интерферометра для измерения фазовых градиентов свободных электронов, что пока не доступно для электронной спектроскопии.
Впрочем, современные методы микро- и спектроскопии недавно позволили увидеть развитие энергетического уровня изолированной вакансии в монослойном кристалле.