Uma fotografia da equipe de pesquisa tirada dentro de um laboratório no Fritz-Haber-Institute, Em Berlim. Crédito:Lee et al.
Pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST), na Coreia, e Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Na Alemanha, conduziram recentemente um estudo investigando a difração de ondas de matéria a partir de uma matriz periódica de meios planos. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física ( PRL ), relatórios sobre a reflexão e difração de He e D 2 feixes de grades de onda quadrada com um período de 400 − μm e larguras de faixa variando de 10 a 200 μm em condições de incidência de pastejo.
"Nosso experimento é baseado na dualidade onda-partícula, que é um conceito básico da mecânica quântica, "Wieland Schöllkopf, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "A ideia de que partículas microscópicas, como elétrons, nêutrons, átomos ou mesmo moléculas exibem comportamento semelhante a ondas que remonta à década de 1920, quando Louis de Broglie introduziu o comprimento de onda da partícula, que hoje é conhecido como 'comprimento de onda de Broglie'. "
Desde que de Broglie desenvolveu sua teoria pela primeira vez, pesquisadores realizaram vários experimentos observando difração e interferência, dois fenômenos de onda que não podem ser explicados em uma imagem de partícula. O principal objetivo do estudo realizado por Schöllkopf e seus colegas foi investigar novos métodos de difração de onda de matéria que permitem a manipulação coerente de feixes atômicos e moleculares.
"Observamos difração de átomos de He e D 2 moléculas se espalhando a partir de uma estrutura de grade, "Schöllkopf explicou." Este último é formado por uma série periódica de filme de polímero estruturado em um substrato de vidro revestido de ouro. Uma variedade de estruturas de grade, todos com período idêntico, mas diferindo na largura das faixas de polímero, foram feitos na UNIST em Ulsan, Coréia. Essas grades foram usadas no aparelho de difração no Fritz-Haber-Institut em Berlim, Alemanha."
O aparelho do Fritz-Haber-Institut permitiu aos pesquisadores gerar um feixe intenso de He ou D 2 com divergência angular extremamente estreita. O feixe gerado incide na grade sob condições de pastejo, portanto, o componente de velocidade das partículas perpendicular à superfície da grade é muito pequeno.
"Em experimentos anteriores realizados em nosso laboratório, observamos reflexão coerente e difração de uma estrutura de grade sob condições de incidência rasante, "Schöllkopf disse." Isso foi atribuído à 'reflexão quântica, 'que é um mecanismo de reflexão diferente da reflexão clássica. "
Na reflexão clássica, à medida que átomos ou moléculas se aproximam de uma superfície, eles são afetados pela força de van der Waals da superfície do átomo. Essa força leva a uma aceleração em direção à superfície, com a partícula finalmente ricocheteando na superfície. Por outro lado, na reflexão quântica, os átomos ou moléculas já se recuperam da região no espaço dominada pela força de van der Waals.
Uma imagem esquemática de difração de matriz de meio plano. Crédito:Lee et al.
"Este efeito quântico contra-intuitivo de forças atrativas, efetivamente resultando no recuo da partícula, só pode ser observada se a velocidade incidente na direção perpendicular à superfície for muito pequena, "Schöllkopf explicou." É por isso que, em nosso experimento, só podemos observar a reflexão quântica em condições de incidência quase rasante. "
Um terceiro mecanismo de reflexão, que difere da reflexão clássica e quântica, é baseado na difração das ondas de de Broglie de átomos ou moléculas das bordas de meios planos, que são cristas muito estreitas em uma superfície. Este mecanismo, observado pela primeira vez no Japão pelo Prof. Shimizu e seus colegas, é agora referido como "espelho de difração de Fresnel" devido à sua analogia com a difração de borda das ondas de luz na óptica.
Em seu estudo, Schöllkopf e seus colegas observaram padrões de difração de onda de matéria totalmente resolvidos, incluindo reflexão especular e feixes difratados até a segunda ordem de difração. Eles também descobriram que, à medida que a largura da tira diminuía, eficiências de difração transformadas do regime conhecido de reflexão quântica para o regime de difração de borda.
"Em nosso experimento, observamos a transição da reflexão quântica para larguras relativamente grandes das faixas de grade para o regime em pequenas larguras de faixa onde a difração de borda domina, "Schöllkopf disse." Além disso, além da reflexão especular (semelhante a um espelho) vista anteriormente, observamos intensos feixes de difração de grade de segunda ordem. "
Os resultados experimentais coletados pelos pesquisadores confirmam um modelo de parâmetro único desenvolvido anteriormente, que é comumente usado para descrever uma variedade de fenômenos, incluindo bilhar quântico, espalhamento de ondas de rádio em áreas urbanas e reflexão de ondas de matéria a partir de microestruturas. Além disso, suas observações sugerem que nem os mecanismos clássicos nem os quânticos de reflexão são essenciais para a difração reflexiva das ondas de matéria a partir de um sólido estruturado, pois isso pode resultar exclusivamente da difração de borda de meio plano.
"Nossas observações nos permitiram fazer uma análise quantitativa das eficiências de reflexão e difração, "Bum Suk Zhao da UNIST, o investigador principal do estudo, disse a Phys.org. "Esse, por sua vez, permitiu um teste experimental do modelo Bogomolny-Schmit de difração de matriz de meio-plano. De acordo com a descrição deste modelo, o fenômeno é totalmente escalável no que diz respeito ao comprimento de onda e às dimensões da matriz de meio plano. Como resultado, para um determinado ângulo de incidência, o espalhamento de ondas de matéria atômica de comprimento de onda de 1 nm de Broglie de uma matriz de período de 4 μm de semiplanos paralelos mostra efeitos de difração idênticos como, por exemplo., o espalhamento de ondas de rádio de 1 cm de comprimento de onda em edifícios separados por 40 m. "
O estudo conduzido por Schöllkopf, Zhao e seus colegas fornecem uma confirmação clara do modelo Bogomolny-Schmit. No futuro, suas descobertas também podem ser usadas como uma bancada de teste para modelos de reflexão quântica de superfícies microestruturadas que precisam levar em conta a difração de borda de meio plano. Em seus próximos estudos, os pesquisadores planejam aplicar difração de matriz de meio plano para a investigação de moléculas fracamente ligadas, como o dímero e o trímero de He.
"Devido às suas energias de ligação extremamente pequenas, essas moléculas de hélio di e triatômico não são passíveis de muitas ferramentas experimentais, "Bum Suk Zhao explicou." Por exemplo, espalhamento clássico de He 2 de uma superfície sólida levará inevitavelmente ao rompimento. Para superar essas limitações, são necessárias mais técnicas experimentais que permitam a manipulação não destrutiva dessas espécies. A difração de matriz de meio plano é um método bem adequado para esse propósito. "
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