Физики не увидели блокады Паули в двухэлектронных корреляциях на кончике вольфрамовой иглы
Американские физики теоретически и экспериментально исследовали корреляции, возникающие в парах электронов, фотоиндуцированных из кончика тонкой вольфрамовой иглы. Они выяснили, что в этом случае кулоновское отталкивание играет решающую роль, в то время как блокадой Паули можно пренебречь. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Корреляционная спектроскопия — это мощный метод исследования структурных или динамических свойств вещества. Как правило, это словосочетание ассоциируется в первую очередь с оптическими корреляциями при динамическом рассеянии света, которое используется для гранулометрического анализа в широкой предметной области, однако схожие методы существуют и в ядерной физике для исследования фемтометровой геометрии ионного источника, и в астрономии для оценки угловых размеров объектов.
Идея метода заключается в поиске закономерностей при измерении потоков частиц не одним, а двумя детекторами, либо в поиске корреляций между двумя сигналами, регистрируемых одним детектором. Лучше всего эта идея развита для света, выступающего в роли носителя информации, однако похожие принципы могли бы быть реализованы и для электронных пучков. Электроны, испускаемые большинством источников, редко оказываются скоррелированными. Чтобы это произошло, необходимо обеспечить достаточно малое расстояние между ними в течение достаточного количества времени.
По мере развития сканирующей электронной микроскопии и электронной дифрактометрии физики постоянно усовершенствуют электронные источники. Оказалось, что корреляционные эффекты влияют на пространственное и временное разрешения методов. Тем не менее, детали этих корреляций и соответствующую статистику пока никто не изучал.
Группа американских физиков из Университета Небраски в Линкольне под руководством Тимоти Гея (Timothy Gay) решила разобраться с тем, как именно меняются статистические свойства электронных пучков, если обеспечить тесное взаимодействие между ними. Для этого физики облучали кончик вольфрамовой наноиглы импульсами титан-сапфирового лазера длительностью 100 фемтосекунд с периодичностью 13,2 наносекунды. Условия эксперимента были подобраны таким образом, чтобы в большинстве случаев это не приводило фотоэмиссии. Однако в среднем 1 импульс из 100000 выбивал по одному электрону, а 1 из 10000000 — по два. Последний процесс представлял наибольший интерес для исследования корреляций.
Электроны направлялись на пару детекторов, из сигналов которых собиралась статистика по совпадениям. Физики строили график зависимости числа совпадений от времени между фиксацией электронов, который имел осциллирующий характер с периодом, равным периоду лазерного импульса. Авторы заключили, что все пики, кроме того, который соответствовал нулевой задержке, вызваны срабатыванием детекторов на одиночные электроны, рожденные различными импульсами. Нулевой же пик, за который отвечают исключительно парные электроны, оказался на четверть ниже по высоте, что свидетельствует о корреляциях.
Источником корреляции электронов может быть два процесса. Первый заключается в обычном кулоновском отталкивании заряженных частиц, а второй — в эффекте блокады Паули, в основе которого лежит запрет фермионам занимать одинаковые состояния. Чтобы разобраться, какой именно эффект повлиял на результаты эксперимента, физики провели численные оценки для обоих случаев. Оказалось, что ключевую роль играет кулоновское отталкивание, которое уменьшает долю электронов, достигающих детектора.
В то же самое время оценки показали, что эффект блокады имеет малое влияние на статистику из-за малых времени и длин когерентности электронов. Для увеличения первого физики предложили использовать энергетические анализаторы, позволяющие уменьшать разброс электронов по энергиям, который связан с временем когерентности через неопределенность Гейзенберга. Применение же увеличивающей электронной оптики должно будет увеличить их пространственную когерентность. По оценкам авторов, существующее сегодня оборудование способно достичь режима, при котором блокада Паули будет играть существенную роль, что в перспективе поможет получить электронные пучки с квантовым вырождением.
Скоррелированные пучки частиц уже сейчас позволяют физикам получать изображения. Мы уже рассказывали, как это делают с помощью электронов и рентгеновского излучения.
Марат Хамадеев
Устройство необходимо для разгона электронов в линейном ускорителе
Ученые из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН создали ключевой элемент будущего источника синхротронного излучения СКИФ — клистрон, устройство, которое будет обеспечивать линейный ускоритель СКИФа током высокой мощности и сверхвысокой частоты, сообщили пресс-службы института и Минобрнауки РФ. Разработка стала вынужденным шагом: ученые планировали закупить клистроны в Японии, но из-за санкций фирма-подрядчик разорвала контракт. Проект «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) был утвержден в октябре 2019 года. Предполагается, что он будет генерировать синхротронное излучение с энергией фотонов от 1 до 100 килоэлектронвольт, которое будет использоваться для высокоточного рентгеноструктурного анализа, то изучения характера рассеяния излучения в толще образца. Такого рода «просвечивание» необходимо для многих задач в физике твердого тела, для разработки новых материалов, биомедицинских исследований. Подробнее об этом мы писали в материале «Больше синхротронов». Первый элемент СКИФа — линейный ускоритель (линак), который должен будет выдавать поток электронов с энергиями в 200 мегаэлектронвольт. Частицы разгоняются в нем благодаря переменным электрическим полям высокой частоты в СВЧ-резонаторах. В свою очередь, для питания СВЧ-резонаторов нужен электрический ток сверхвысокой частоты. Устройство, которое для этого предназначено, называется клистроном. В апреле 2023 года физики ИЯФа проверили в действии «первую ступень» линака, разогнав в нем электроны до энергии 30 мегаэлектронвольт. Однако, как пояснил N + 1 завлабораторией ИЯФ Алексей Левичев, в этом эксперименте использовался клистрон японской фирмы Canon, который институт успел получить до введения санкций. По его словам, для полноценной работы линака требуется четыре клистрона — три работающих и один резервный. Поскольку клистроны с нужными параметрами выпускают только в США, Франции и Японии, физикам пришлось создавать устройство самостоятельно. Клистрон представляет собой разновидность электронной лампы. В нем есть катод, где формируется поток электронов. Затем этот поток ускоряется и попадает во входной резонатор, где под действием электрического поля он становится дискретным — разбивается на сгустки, которые, в свою очередь, наводят ток сверхвысокой частоты в выходном резонаторе. Затем электроны «ловит» коллектор и цикл повторяется. Таким образом из непрерывного тока получают ток с частотой колебаний около 3 гигагерц. При испытаниях клистрона, созданного в ИЯФе была получена мощность в 50 мегаватт. По словам, директора ИЯФ Павла Логачева, создать собственный клистрон устройство они смогли благодаря благодаря тому, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC подарила институту клистрон, и физики научились с ним работать. По его мнению, эта технология в дальнейшем будет востребована для других ускорительных установок в России — для синхротрона, источника комптоновского излучения в Сарове, источника нейтронов в Дубне. По словам Левичева, проект линейного ускорителя разрабатывался под параметры японского клистрона, поэтому собственная их установка в максимально возможной степени соответствует «исходнику». Однако соответствие все же не стопроцентное, поэтому, вероятнее всего, три сибирских клистрона будут основными, а японскому останется роль резервного. Испытания линака со всеми тремя клистронами и на проектной энергии в 200 мегаэлектронвольт сейчас планируются на лето 2024 года, добавил Левичев. Раньше мы рассказывали, как японским ученым удалось увидеть с помощью синхротрона двухщелевую самоинтерференцию одиночных электронов во времени.