Современное применение интерферометров на основе эффекта Тальбота

Язык труда и переводы:
УДК:
530.145.6
Дата публикации:
14 декабря 2022, 16:32
Категория:
Перспективные направления исследования необратимых физических процессов
Авторы
Смирнов Евгений Васильевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
В настоящее время интерферометры Тальбота — Лоу и Капицы — Дирака — Тальбота — Лоу получили широкое применение в целом ряде тонких экспериментальных исследований. Обоснована необходимость включения вопросов, посвященных эффекту Тальбота и интерферометрам на его основе в раздел волновой оптики курса общей физики, читаемого студентам технических университетов России. Важной особенностью этих интерферометров является то, что они позволяют работать с волнами малой интенсивности при невысокой пространственной когерентности пучка.
Ключевые слова:
экспериментальные основания квантовой физики, волны де Бройля, интерферометры, эффект Тальбота
Основной текст труда

Хорошо известно, что интерференционные методы исследования с использованием волн различной природы находят широкое применение в физических экспериментах. С их помощью удается не только получить ответы на ряд принципиально важных вопросов физики, но и выполнить измерения тех или иных физических величин с высокой точностью. Интерферометры Майкельсона, Жамена, Фабри — Перо, Рэлея, Физо и ряд других широко известны и подробно описаны в научной и учебной литературе (смотри, например [1, 2]).

В последнее время все более широкое применение в научных исследованиях находят интерференционные схемы, в которых используется эффект Тальбота [3–6]. Этот эффект связан с волновыми явлениями в ближней зоне и позволяет наблюдать интерференцию волн различной природы: электромагнитных [7], акустических [8], волн на поверхности жидкости [9], а также волн материи [10–12].    

 На основе эффекта Тальбота созданы интерферометры Тальбота-Лоу [10] и Капицы — Дирака — Тальбота — Лоу [13], с помощью которых в последние годы получены принципиально важные результаты. Это относится к первому наблюдению волновых свойств частиц антиматерии — позитронов — при дифракции на дифракционной решетке [14], изучению волновых свойств молекул олигопорфиринов с массой более 25000 а.е.м. — самых крупных на сегодняшний день частиц, проявляющих волновые свойства [12], а также к исследованию магнетизма наноразмерных частиц [15]. Важной особенностью этих интерферометров является то, что они позволяют работать с волнами малой интенсивности при невысокой пространственной когерентности пучка. Принципиальная схема интерферометра Тальбота — Лоу приведена на рис. 1.

Рис.1. Схема интерферометра Тальбота-Лоу [3]

Интерферометры Тальбота — Лоу и Капицы — Дирака — Тальбота — Лоу получили широкое применение при исследовании волновых свойств крупных молекул [16] (рис. 2). Их широкое практическое применение в научных исследованиях, подчеркивает настоятельную необходимость более детального знакомства с эффектом Тальбота как научной общественности, так и, прежде всего, студенческой аудитории. 

Рис. 2  Молекулы, демонстрирующие свои волновые свойства в интерферометре Капицы — Дирака — Тальбота — Лоу: а — тетрафенилпорфирин; b —  фуллерен C_60; c — PFNS10, углеродная наносфера с десятью перфторалкильными цепями, также использовался вариант PFNS8 с восемью боковыми плечами; d — перфторалкилфункционализированный диазобензол; e–f — два структурных изомера с одинаковым химическим составом, но разным расположением атомов; g — TPPF152, производное TPP со 152 атомами фтора [16]

Вопросы, посвященные эффекту Тальбота, необходимо включить в раздел волновой оптики, читаемый в рамках курса общей физики студентам технических университетов России.

Литература
  1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. 2-е изд. Москва, Наука, 1973, 720 с.
  2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. IV. Оптика. 3-е изд., стереот. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2002, 792 с.
  3. Cronin A.D., Schmiedmayer J., Pritchard D.E. Optics and interferometry with atoms and molecules. Rev Mod Phys, 2009, vol. 81, no. 3, pp. 1051–1128.
  4. Wen J., Zhang Y., Xiao M. The Talbot effect: recent advances in classical optics, nonlinear optics, and quantum optics. Advances in optics and photonics, 2013, vol. 5, pp. 83–130.
  5. Смирнов Е.В., Скуйбин Б.Г., Мартинсон Л.К. Эффект Тальбота I. Дифракция на одномерных решетках. Физическое образование в вузах, 2014, т. 20, № 2, с. 109–121.
  6. Смирнов Е.В., Скуйбин Б.Г., Мартинсон Л.К. Эффект Тальбота II. Самоизображение двумерных периодических структур. Физическое образование в вузах, 2014, т. 20, № 4, с. 15–28.
  7. Морозов А.Н., Салбиева Л.Р., Скуйбин Б.Г., Смирнов Е.В. Наблюдение высоких порядков дробного эффекта Тальбота в оптическом диапазоне. Письма в ЖЭТФ, 2017, т. 107, вып. 6, с. 368–370.
  8. Морозов А.Н., Крикунова М.П., Скуйбин Б.Г., Смирнов Е.В. Наблюдение эффекта Тальбота для ультразвуковых волн. Письма в ЖЭТФ, 2017, т. 106, вып. 1, с. 26–28.
  9. Агафонова Е.В., Морозов А.Н., Скуйбин Б.Г., Шеремет В.Ф., Смирнов Е.В. Поверхностные волны воды и эффект Тальбота. XI Всероссийская конференция «Необратимые процессы в природе и технике»: сб. трудов. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021, ч. I, с.140–143.
  10. Hackermuller L., Uttenthaler S., Hornberger K., Reiger E., Brezger B., Zeilinger A., Arndt M. Wave nature of biomolecules and fluorofullerenes. Phys Rev Lett, 2003, vol. 91(9), art. no. 090408.
  11. Gerlich S., Hackermuller L., Hornberger K., Stibor A., Ulbricht H., Gring M., Goldfarb F., Savas T., Muri M., Mayor M., Arndt M. A Kapitza-Dirac-Talbot-Lau Interferometer for highly polarizable molecules. Nature Physics, 2007, vol. 3, pp. 711–715.
  12. Fein Ya.Y., Geyer Ph., Zwick P., Kiałka F., Pedalino S., Mayor M., Gerlich S., Arndt M. Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa. Nature Physics Letters, 2019, vol. 15, pp.1242–1245.
  13. Hornberger K., Gerlich S., Ulbricht H., Hackermüller L., Nimmrichter S., Goldt I.V., Boltalina O., Arndt M. Theory and experimental verification of Kapitza-Dirac-Talbot-Lau interferometry. New Journal of Physics, 2009, vol. 11, art. no. 043032.
  14. Sala S., Ariga A., Ereditato A., Ferragut R., Giammarchi M., Leone M., Pistillo C., Scampoli P. First demonstration of antimatter wave interferometry. Science Advances, 2019, vol. 5. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aav7610
  15. Fein Y.Y., Pedalino S., Shayeghi A., Kiałka F., Gerlich S., Arndt M. Nanoscale magnetism probed in a matter-wave interferometer. Phys Rev Lett, 2022, vol. 129, art. no. 123001.
  16. Gerlich S., Eibenberger S., Tomandl M., Nimmrichter S., Hornberger K., Fagan P.J., Tuxen J., Mayor M., Arndt M. Quantum interference of large organic molecules. Nature Comm, 2011, vol. 2, art. no. 263. DOI: https://doi.org/10.1038/ncomms1263
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.