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