Klassisches Doppelspaltexperiment in neuem Licht

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Ein intensiver Strahl energiereicher Röntgenphotonen (violett) trifft auf zwei benachbarte Iridiumatome (grün) im Kristall. Dies regt für kurze Zeit Elektronen in den Atomen an. Die Atome emittieren Röntgenphotonen, die sich hinter den beiden Iridiumatomen (rot) überlappen und als Interferenzbilder analysiert werden können. Bildnachweis: Markus Grueninger, Universität zu Köln

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Physikern der Universität zu Köln hat am European Synchrotron ESRF in Grenoble eine neue Variante des grundlegenden Doppelspaltexperiments mit resonanter inelastischer Röntgenstreuung implementiert. Diese neue Variante bietet ein tieferes Verständnis der elektronischen Struktur von Festkörpern. Schreiben in Wissenschaftliche FortschritteDie Forschergruppe präsentierte ihre Ergebnisse nun in einer Studie mit dem Titel "Resonant inelastische Röntgeninkarnation von Young's Doppelspaltexperiment".


Das Doppelspaltexperiment ist in der Physik von grundlegender Bedeutung. Vor mehr als 200 Jahren beugte Thomas Young das Licht an zwei benachbarten Schlitzen und erzeugte hinter diesem Doppelschlitz Interferenzmuster (Bilder, die auf Überlagerung basieren). So demonstrierte er die Wellennatur des Lichts. Wissenschaftler haben im 20. Jahrhundert gezeigt, dass Elektronen oder Moleküle, die auf einem Doppelspalt gestreut werden, dasselbe Interferenzmuster aufweisen, was der klassischen Erwartung des Teilchenverhaltens widerspricht, jedoch im quantenmechanischen Wellen-Teilchen-Dualismus erklärt werden kann. Im Gegensatz dazu untersuchten die Kölner Forscher einen Iridiumoxidkristall (Ba3CeIr2O9) mittels resonanter inelastischer Röntgenstreuung (RIXS).

Der Kristall wird mit stark kollimierten hochenergetischen Röntgenphotonen bestrahlt. Die Röntgenstrahlen werden von den Iridiumatomen im Kristall gestreut, die im klassischen Experiment von Young die Rolle der Schlitze übernehmen. Aufgrund der schnellen technischen Entwicklung von RIXS und einer geschickten Auswahl der Kristallstruktur beobachteten die Physiker die Streuung an zwei benachbarten Iridiumatomen, einem sogenannten Dimer.

Ein internationales Forscherteam hat am Europäischen Synchrotron ESRF in Grenoble eine neue Variante des grundlegenden Doppelspaltexperiments mit resonanter inelastischer Röntgenstreuung implementiert. Bildnachweis: ESRF / Jayet

"Das Interferenzmuster sagt viel über das streuende Objekt aus, den Dimer-Doppelspalt", sagt Professor Markus Grüninger, der die Forschungsgruppe der Universität zu Köln leitet. Im Gegensatz zum klassischen Doppelspaltexperiment geben die inelastisch gestreuten Röntgenphotonen Aufschluss über die angeregten Zustände des Dimers, insbesondere deren Symmetrie, und damit über die dynamischen physikalischen Eigenschaften des Festkörpers.

Diese RIXS-Experimente erfordern ein modernes Synchrotron als extrem brillante Röntgenlichtquelle und einen ausgefeilten Versuchsaufbau. Um nur die Iridiumatome gezielt anzuregen, müssen Wissenschaftler den sehr kleinen Anteil von Photonen mit der richtigen Energie aus dem breiten Spektrum des Synchrotron auswählen, und die gestreuten Photonen werden noch enger nach Energie und Streuungsrichtung ausgewählt. Es bleiben nur noch wenige Photonen. Mit der geforderten Genauigkeit sind diese RIXS-Experimente derzeit nur an zwei Synchrotrons weltweit möglich, einschließlich der ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble, wo das Kölner Team ihr Experiment durchführte.

Die zwei benachbarten Iridiumatome (Dimer) sind grün dargestellt. Auch die Elemente Sauerstoff (O, Rot), Barium (Ba, Grau) und Cer (Ce, Türkis) sind an der Kristallstruktur beteiligt. Bildnachweis: Markus Grueninger, Universität zu Köln

"Mit unserem RIXS-Experiment konnten wir eine fundamentale theoretische Vorhersage aus dem Jahr 1994 unter Beweis stellen. Dies eröffnet eine Reihe weiterer Experimente, die ein tieferes Verständnis der Eigenschaften und Funktionalitäten von Festkörpern ermöglichen", sagt Grüninger .


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Mehr Informationen:
Resonante inelastische Röntgeninkarnation von Young's Doppelspaltexperiment. Wissenschaftliche Fortschritte (2019). advances.sciencemag.org/content/5/1/eaav4020

Zeitschriftenreferenz:
Wissenschaftliche Fortschritte

Zur Verfügung gestellt von:
Universität zu Köln

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