Слабое магнитное поле остановило вращение молекул

Европейские физики исследовали возможность управления исходом вращательно-неупругой дифракции молекул дейтерия на монокристалле меди с помощью магнитного поля. Они выяснили, что вероятность потери молекулами своего вращения достигает пика уже при очень малых значениях поля. Примечательно, что потеря молекулами энергии при этом на девять порядков больше, чем характерная энергия магнитных манипуляций. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Дифракцией называется способность волн огибать препятствия, сопоставимые по размеру с длиной волны. Ее замечательной особенностью стало то, что от длины волны зависит и дальнейшее распространение волны. В дифракционных решетках этот принцип позволяет эффективно сортировать световые лучи по разным направлениям в зависимости от их цвета, что сделало спектроскопические методы очень точными.

Со временем физики нашли волновые свойства и у частиц. Волны материи (электронов, нейтронов, атомов, молекул и даже позитронов) также оказались способны к интерференции и дифракции. В случае дифракции на дифракционных решетках направление, под которым полетит пучок частиц, определяется их энергией. Атомы и молекулы отличаются от остальных частиц тем, что вклад в их энергию дают также и внутренние степени свободы, даже если он и не очень большой.

Типичной иллюстрацией того, как энергетические уровни могут влиять на дифракцию, стала вращательно-неупругая дифракция. Это явление наблюдается, когда пучок молекул отскакивает от кристаллического слоя. Оно заключается в появлении в дифракционных спектрах дополнительных пиков, вызванных обменом энергией между вращательными уровнями и поверхностью. Дополнительные каналы рассеяния делают дифракцию более сложной и интересной, поэтому физики активно исследуют это явление.

Группа физиков из Великобритании и Нидерландов под руководством Хелен Чедвик (Helen Chadwick) и Гиля Алеxандровича (Gil Alexandrowicz) из Университета Суонси исследовала вопрос о том, как можно контролировать дифракцию молекул дейтерия при их столкновении с медной поверхностью. Интуитивно кажется, что любое воздействие на неупругие процессы должно быть энергетически сопоставимо с вращательными переходами в молекуле (обычно речь идет о миллиэлектронвольтах). Авторы же показали, для этого на самом деле достаточно в миллиард раз меньшего влияния.

Суть эксперимента заключалась в следующем. Физики создавали пучок молекул дейтерия со средней кинетической энергией 38,8 миллиэлектронвольт, возбужденных на основной, первый и второй вращательные подуровни. Они сталкивали этот пучок с монокристаллом меди при температуре 130 кельвин.

На пути пучка авторы устанавливали сложную систему, состоящую из гексапольного магнита и соленоида. Гексапольный магнит выступал в роли фильтра, на выходе из которого молекулы обладали состояниями с определенными проекциями ядерного спина и вращательного квантового числа. Эти молекулы пролетали один метр в слабом однородном магнитном поле соленоида. Эффект Зеемана расщеплял вращательные и ядерные состояния, смешивая вклады от разных проекций в когерентную суперпозицию, содержащую 30 разных членов. Осцилляции Раби, происходящие при этом, влияли на населенность уровней, что и отражалось на дифракционном сигнале.

Зависимость числа рассеянных медной поверхностью частиц имела несколько пиков, включающих упругое и неупругое рассеяние. Физики уделили внимание пику, соответствующему потере молекулами вращения за счет соударения с кристаллом, то есть переходам из состояния с J=2 в состояние J=0, где J — это вращательное квантовое число. Очистив этот сигнал с помощью дополнительного магнитного фильтра от остаточных вкладов, вызванных упругими рассеяниями, авторы исследовали его зависимость от магнитного поля соленоида. Она оказалась периодической, что подтвердило механизм осцилляций Раби. Примечательно, что для изменения фазы рассеяния на противоположную оказалось достаточно поля всего в 0,9 гаусса, что соответствует пикоэлектронвольтному зеемановскому расщеплению.

Тем не менее, простой учет этих осцилляций дал лишь качественное согласие с экспериментом, поскольку первоначальная модель ученых не учитывала влияние состояний молекул на столкновение с поверхностью. Это побудило ученых включить в модель S-матрицу рассеяния, рассчитанную для монокристалла меди с помощью теории функционала плотности. После этого модель стала лучше воспроизводить эксперимент, ошибаясь только в области малых магнитных полей. Анализ показал, что причиной расхождения стала недооценка вкладов с ненулевым изменением проекции вращательного квантового числа. Введя соответствующие параметры S-матрицы в качестве подгоночных, физикам удалось получить хорошее согласие.

Эффекты квантовой интерференции, которые наблюдаются в опыте с вращательно-неупругой дифракцией, довольно сложны. Вместе с тем физики продолжают изучать это явление и в более простых и традиционных опытах, например, в щелевом эксперименте. Мы уже рассказывали, как вклад в интерференционную картину при прохождении фотона через три щели дают невозможные с точки зрения классической физики траектории.

Марат Хамадеев