2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Physiker betrachteten den Einfluss der Quanteninterferenz auf die spektralen und räumlichen Eigenschaften der Bremsstrahlung bei der Streuung von Elektronen an Atomen und Nanomodulatoren. Ihre Berechnungen zeigten, dass eine Überlagerungsform der Zustände einfallender Elektronen die Richtwirkung und Monochromatizität der Bremsstrahlung beeinflussen kann. Die Arbeit wurde in Nature Communications veröffentlicht, ein Preprint ist ebenfalls erhältlich.
Die Quantenelektrodynamik (QED) ist der erfolgreichste und genaueste Zweig der Quantenfeldtheorie. Er beschreibt die elektromagnetische Wechselwirkung in all ihren Erscheinungsformen und Prozessen, an denen hauptsächlich Elektronen, Positronen und Photonen beteiligt sind.
Die meisten QED-Effekte finden ihre Bestätigung in Teilchenstreuexperimenten, sei es Atomspektroskopie oder elastische Stöße. Dabei ist es üblich, die Anfangs- und Endteilchen durch Zustände mit einem bestimmten Impuls zu beschreiben, denn nach der Quantenmechanik fliegt ein Teilchen lange Zeit ohne Wechselwirkung (zum Beispiel in einer Spektrographenröhre oder in einem Beschleuniger)) neigt im Laufe der Zeit zu einem solchen Zustand. Dies spiegelt sich darin wider, dass den in der QED durchgeführten Berechnungen Zustände mit einem gewissen Impuls zugrunde liegen.
Gleichzeitig erlaubt die Quantenmechanik Superpositionszustände, in denen der Impuls eines Teilchens undefiniert sein kann. Man könnte erwarten, dass die Überlagerung der Zustände der Anfangsteilchen zu einer Überlagerung der Zustände der Endteilchen und zu den entsprechenden Effekten der Quanteninterferenz führen würde, was jedoch experimentell nie beobachtet wurde. Der Grund dafür ist, dass die Interferenzterme im Streuquerschnitt aufgrund der Energie- und Impulserhaltungssätze verschwinden.
Physiker aus Israel, Singapur und den Vereinigten Staaten haben unter Beteiligung von Thomas Christensen gezeigt, dass es möglich ist, eine Reihe von Überlagerungszuständen zu finden, in denen die Interferenzterme aufgrund des gleichen Gleichgewichts von Energien und Impulsen ungleich Null bleiben, und dies wird das Ergebnis des gesamten QED-Prozesses beeinflussen. Um ihre Vermutungen durch Berechnungen zu überprüfen, betrachteten sie den Prozess der Bremsstrahlung, wenn ein Elektron an einem neutralen Kohlenstoffatom und einem Nanomodulator gestreut wird.
Als einfallendes Teilchen betrachteten die Autoren ein Elektron in einem Überlagerungszustand, bestehend aus einer gleichen Summe von zwei Zuständen mit einem bestimmten Impuls. Die Pulse sind in beiden Fällen gleich groß, unterscheiden sich jedoch in der Richtung um +15 bzw. -15 Grad relativ zur Streuachse. Solche Zustände können durch holographische Methoden in der Elektronenmikroskopie oder mit Hilfe eines Biprismas oder eines anderen Analogons eines Zweispaltexperiments erhalten werden. Die Autoren verglichen die resultierende spektrale und räumliche Verteilung der Bremsstrahlung mit zwei Fällen: Strahlung eines Elektrons in einem Zustand mit definiertem Impuls entlang der Streuachse und Strahlung eines Elektrons im gleichen Überlagerungszustand, jedoch ohne Berücksichtigung der Interferenzterme (inkohärenter Fall).
Differentialquerschnitt für Bremsstrahlung an einem Kohlenstoffatom für einen Zustand mit definiertem Impuls (erste Reihe) und für inkohärente (zweite Reihe) und kohärente (dritte Reihe) Streuung. Die Abszisse ist der Winkel relativ zur Streuachse und die Ordinate ist die Photonenenergie.
Bei der Analyse der erhaltenen Abhängigkeiten der differentiellen Wirkungsquerschnitte für die Streuung an einem Kohlenstoffatom, die proportional zur Intensität der Bremsstrahlung sind, stellten die Autoren fest, dass die Strahlung im kohärenten Fall dazu neigt, sich entlang der Streuachse auszubreiten, während sie in der üblichen Situation und in im inkohärenten Fall nimmt das Strahlungsfeld eine konische Form an. Dieses Verhalten wurde für verschiedene Elektronenenergien gefunden.
Die durch Berechnung der Streuung am Nanomodulator erhaltenen Ergebnisse zeigten einen anderen Effekt. Tatsache ist, dass in den Emissionsspektren von an Undulatoren gestreuten Elektronen neben der Hauptkomponente meist ein langer "Schwanz" beobachtet wird, der dem Spektrum der Synchrotronstrahlung ähnelt. Ein solcher Schweif wurde in differentiellen Wirkungsquerschnitten im Fall eines Zustands mit definiertem Impuls und im inkohärenten Fall gefunden, während er bei kohärenter Streuung fehlte.
Differentialquerschnitt für Bremsstrahlung an einem Nanoundulator für einen Zustand mit definiertem Impuls (erste Reihe) und für inkohärente (zweite Reihe) und kohärente (dritte Reihe) Streuung. Die Abszisse ist der Winkel relativ zur Streuachse und die Ordinate ist die Photonenenergie.
Die Autoren stellen fest, dass die entdeckten Effekte den Effekten in photonischen Kristallen sowie bei den Prozessen der kollektiven Emission freier Elektronen ähneln. Der entscheidende Unterschied der neuen Arbeit besteht jedoch darin, dass sie sich mit der Bildung eines Überlagerungszustands in nur einem Elektron befasst. Physiker erwarten, dass die in der Veröffentlichung vorgestellte Idee auf andere QED-Prozesse mit Protonen oder Ionen sowie auf andere Zweige der Quantenfeldtheorie ausgedehnt werden kann.
Die Quantenelektrodynamik spielte und spielt eine wichtige Rolle im Prozess unseres Verständnisses der Physik der Mikrowelt. Mehr dazu lesen Sie in unserem Material "Der Schlitz in der Rüstung".
