Gedanken experiment på riktigt vid Fysikum

Interferensmönster
Fig 1. Bilden visar schematiskt hur interferensmönstret i framåtriktningen kan uppstå när vätemolekylens axel inte är vinkelrät mot framåtriktningen
Vi har nyligen rapporterat två experiment i vilka vi observerat tydliga interferensfenomen för mycket snabba väte- och heliumatomer i Young-liknande experiment där atomerna ”skapas” genom elektroninfångning i samband med passage av molekylära ”dubbelspalter”. Intensiteten är så låg så att man säkert vet att det bara är en (snabb) atom åt gången på väg mot detektorn från ”spalterna”.

Experimenten är utförda vid den magnetiska jonlagringsringen CRYRING vid Manne Siegbahnlaboratoriet i Frescati och med den rekylmomentspektrometer som vi installerat tillsammans med apparatur för att skapa en tunn, supersonisk, gas-stråle med hög kontrast till den omgivande ultrahögvakuumvolymen i CRYRING.

“Youngs experiment” med molekylära dubbelspalter
I ett klassiskt experiment som utfördes i början av 1800-talet påvisade Thomas Young, genom studier av interferensfenomen, att ljus har vågegenskaper. Ungefär hundra år senare (1905) förklarade Einstein den fotoelektriska effekten genom att anta att ljus, i vissa situationer, beter sig som partiklar. De Broglie föreslog 1923 å andra sidan att det som man dittills alltid hade tänkt på som “partiklar” i vissa sammanhang kunde beskrivas bättre som vågor. Davisson och Germer visade i ett berömt experiment från 1927 att elektroner spridda mot en nickelkristall interfererade som vågor. (Läs mer om dubbelspaltexperiment i en artikel i Physics World).

Man betraktade länge situationen med spridning av partiklar mot en dubbelspalt som ett illustrativt, men i praktiken ogenomförbart, tankeexperiment (ett så kallat gedankenexperiment) men 1961 genomförde Jönsson (Z. Phys. 161, 454 (1961)) ett interferensexperiment med elektroner som passerar en mikrometerstor mekanisk dubbelspalt och 1976 upprepade Merli och medarbetare (P. G. Merli et al., Am. J. Phys. 44, 306 (1976)) Jönssons experiment vid så låg intensitet att endast en elektron i taget befann sig mellan spalterna och den skärm där de detekterades. I det senare fallet fick man förstås vänta förhållandevis lång tid, men så småningom växte det typiska interferensmönstret fram och man hade på ett övertygande sätt påvisat de enskilda “partiklarnas” (elektronernas) vågegenskaper (interferensmönstret) och partikelegenskaper (detektion av en “partikel” i taget).

Denna så kallade våg-partikel dualitet är sedan lång tid väletablerad och vågegenskaper har även demonstrerats för många tyngre “partiklar” som neutroner, olika atomer, små molekyler och mer komplexa molekyler som t.ex. C60 och C60F48.

Vårt experiment

Vi har utfört två interferensexperiment med godtyckligt orienterade, sub-nanometerstora, “dubbelspalter” i form av H2-molekyler i en jetstråle av vätgas. Ett litet fåtal av molekylerna träffas av en tunn stråle av snabba protoner, alternativt snabba alfa-partiklar, som då i sällsynta fall fångar en elektron (protonerna) eller två elektroner (alfa-partiklarna) så att snabba H- eller He-atomer skapas. Vid de höga kollisionsenergier som vi använder här är sannolikheten för att fånga elektroner mycket liten och vi kan därför vara säkra på att vi bara har en neutraliserad snabb atom i experimentet åt gången. Sannolikheten för elektroninfångning är högre nära kärnorna i H2 molekylen och vi har därför två lokaliserade regioner inom vilka reaktionssannolikheterna är högre än på andra ställen vilket definierar den molekylära dubbelspalten.

I experimentet med H+ + H2 kollisioner registrerar vi interferensen på två olika sätt – dels genom att bilden på den detektor som registrerar de snabba H atomerna som har fångat en elektron är mer samlad när H2 molekylens axel är vinkelrät mot jonstrålen än om den har en vinkel mot strålen i närheten av 30 grader och dels genom att det totala reaktionstvärsnittet oscillerar som funktion av molekylaxelns vinkel mot jonstrålen. Förklaringen till detta är att om molekylaxeln är vinkelrät så är avståndet till detektorn från båda kärnorna detsamma, och vi får positiv interferens i framåtriktningen (se Figur 1 som ger en schematisk bild av hur fasskillnader kan uppstå). Men om molekylvinkeln är (nära) 30 grader så skiljer sig sträckorna från respektive kärna åt vi får istället destruktiv interferens.

 

 

Interferensmönstret som observerats i experimentet
Resultatet av experimentet med protoner och vätemolekyler.Figur 2. Det totala tvärsnittet för reaktionen varierar med vinkeln mellan vätemolekylens axel och framåtriktningen.

I experimentet kan vi bestämma denna vinkel genom att mäta rörelsemängdsvektorerna (belopp och riktningar) för protoner från de dissocierande H2+ molekyler (molekylen hinner inte rotera under kollisionen eller innan den dissocierar). I figur 2 visar vi hur det totala reaktionstvärsnittet varierar med vätemolekylens vinkel mot framåtriktningen. Vi ser en tydlig interferenseffekt, trots att de snabba protonernas de Broglie våglängd är 25 fm i experimentet – mer än 103 gånger mindre än avståndet mellan de två spridningscentra (0.7 Å) och 1014 gånger mindre än avståndet till detektorn (som är monterad på 3.2 meters avstånd från den punkt där jonstrålen och H2-strålen korsar varandra). Förklaringen till hur interferensen uppstår i experimentet är lite mer komplicerad än den bild som skisssas ovan. En mer komplett analys tar hänsyn till att de Broglie våglängden hos protonerna ändras när de fångar in en elektron och bildar en neutral väteatom. När vätemolekylen inte är vinkelrätt orienterad sker detta skift i våglängd på olika avstånd från detektorn. Det är denna skillnad i väglängd som orsakar den fasskillnad som ger interferenseffekterna. Denna tolkning av våra data stöder sig dels på det enkla resonemang som vi skisserat här (och som återfinns i lite mer detalj i HT Schmidt et al. Phys. Rev. Lett., 101, 083201 (2008)) och dels på den mycket goda överensstämmelsen med kvantmekaniska beräkningar. De teoretiska förutsägelserna ligger mer än 15 år tillbaka i tiden men det är först nu, i samband med våra mätningar, som de kunnat testas experimentellt.

 

Experiment med alfapartiklar

I det andra experimentet studerade vi infångning av två elektroner till snabba heliumkärnor. Här skulle man kunna förvänta sig att reaktionssannolikheten skulle ha sitt maximum när molekylens axel är parallell med jonstrålen (idén skulle vara att heliumkärnan behöver kommer nära bägge protonerna för att kunna fånga först den ena och sedan den andra elektronen). Vad vi observerade var istället ett maximalt tvärsnitt för en vinkel av 90 grader mot molekylaxeln och en sinusformad oscillation som funktion av vinkeln, vilket vi tolkar som att båda elektronerna fångas tillsammans från regioner i närheten av en av de två kärnorna i vätemolekylen (D Misra et al. Phys. Rev. Lett., 102, 153201 (2009)) och därmed ger upphov till interferens liksom i fallet med infångning av en elektron. I det här experimentet fångar He2+ båda elektronerna från H2 och vi mäter dess orientering genom att mäta emissionsvinkel och kinetisk energi för protoner som emitteras från H22+-systemet. Experimenten exponerar tydliga våg- och interferensegenskaper hos enskilda mycket snabba väte- och heliumatomer i växelverkan med objekt flera storleksordningar större än atomernas de Broglie våglängder.

En fråga som kommer upp i diskussioner av dessa resultat är om det är meningsfullt att spekulera i om det på något sätt vore möjligt att arrangera om experimentet så att man kunde fastställa från vilken av kärnorna som elektronen (eller elektronerna) fångades. Detta vore i så fall samma sak som att avgöra genom vilken av två spalter en foton eller elektron passerar i ett “normalt” dubbelspaltexperiment vilket i så fall leder till att alla interferenseffekter försvinner. I detta experiment motsvaras det av att man har information om från vilken av H2-kärnorna som elektronen fångas i H++ H2 experimentet, men det är inte möjligt eftersom den kvarvarande elektronen rör sig mycket snabbare än H2-kärnorna och hinner byta sida ett (okänt) antal gånger innan dissociationen är fullbordad. Som experimenten är arrangerade nu finns, av principiella skäl, helt enkelt inte något svar på frågan om från vilket atomärt center som elektronen fångades eftersom de observerade interferenserna uppstår genom att de vågfunktioner som beskriver projektilernas rörelser påverkas av båda aperturerna i vår molekylära “dubbelspalt”.

Spektrometern och strålmålet som använts i det här experimentet har bekostats av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse och projektet har också stötts av VetenskapsrådetCRYRING är en magnetisk lagringsring med 52 meters omkrets och den kommer i slutet av 2010 troligen att flyttas till GSI för framtida experiment med antiprotoner.

Studierna har utförts i samarbete mellan vår grupp vid Fysikum, med MSL och med gäster från Kansas State University, Frankfurt University, Aarhus University, Max Planck Institute (Heidelberg) och Sankt Petersburg University. Huvudansvaret för projektet och dess genomförande har vilat på forskare från Fysikum. De post-docs och doktorander (tidigare och nuvarande), med Fysikumanknytning som bidragit starkt till projektet är Daniel Fischer, Deepankar Misra, Zoltan Berenyi, Kristian Støchkel, Magnus Gudmundsson, Peter Reinhed, Henrik Johansson och Nicole Haag.

För kollaborationen: Henrik Cederquist och Henning Schmidt

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •  
  •