Chercheurs de l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST), en Corée, et Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, en Allemagne, ont récemment mené une étude sur la diffraction des ondes de matière à partir d'un réseau périodique de demi-plans. Leur papier, publié le Lettres d'examen physique ( PRL ), rend compte de la réflexion et de la diffraction de He et D 2 faisceaux provenant de réseaux à ondes carrées d'une période de 400 µm et de largeurs de bandes allant de 10 à 200 µm dans des conditions d'incidence rasante.

"Notre expérience est basée sur la dualité onde-particule, qui est un concept de base en mécanique quantique, " Wieland Schöllkopf, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "L'idée que les particules microscopiques telles que les électrons, neutrons, les atomes ou même les molécules présentent un comportement ondulatoire datant des années 1920, quand Louis de Broglie a introduit la longueur d'onde des particules, qu'on appelle aujourd'hui la "longueur d'onde de Broglie".

Depuis que de Broglie a développé sa théorie pour la première fois, les chercheurs ont réalisé de nombreuses expériences d'observation de la diffraction et des interférences, deux phénomènes ondulatoires qui ne peuvent être expliqués dans une image de particules. L'objectif principal de l'étude menée par Schöllkopf et ses collègues était d'étudier de nouvelles méthodes de diffraction des ondes de matière qui permettent une manipulation cohérente des faisceaux atomiques et moléculaires.

"Nous avons observé la diffraction des atomes d'He et D 2 molécules se dispersant à partir d'une structure de réseau, " Schöllkopf a expliqué. " Ce dernier est formé par un réseau périodique de film polymère structuré sur un substrat de verre recouvert d'or. Une variété de structures de grille, tous de période identique, mais différant par la largeur des bandes de polymère, ont été réalisés à l'UNIST à Ulsan, Corée. Ces réseaux ont été utilisés dans l'appareil de diffraction du Fritz-Haber-Institut de Berlin, Allemagne."

L'appareil du Fritz-Haber-Institut a permis aux chercheurs de générer un faisceau intense de He ou D 2 avec une divergence angulaire extrêmement étroite. Le faisceau généré est incident sur le réseau dans des conditions rasantes, Par conséquent, la composante de vitesse des particules perpendiculairement à la surface du réseau est très faible.

"Dans les expériences précédentes menées dans notre laboratoire, nous avons observé une réflexion et une diffraction cohérentes à partir d'une structure de réseau dans des conditions d'incidence rasante, " a déclaré Schöllkopf. "Ceci a été attribué à 'la réflexion quantique, ' qui est un mécanisme de réflexion différent de la réflexion classique."

Dans la réflexion classique, lorsque des atomes ou des molécules s'approchent d'une surface, ils sont affectés par la force de van der Waals atome-surface. Cette force entraîne une accélération vers la surface, la particule rebondissant finalement sur la surface. D'autre part, en réflexion quantique, les atomes ou les molécules rebondissent déjà de la région de l'espace dominée par la force de van der Waals.

"Cet effet quantique contre-intuitif des forces attractives, entraînant effectivement le recul de la particule, ne peut être observé que si la vitesse incidente dans la direction perpendiculaire à la surface est très faible, " expliqua Schöllkopf. " C'est pourquoi, dans notre expérience, nous ne pouvons observer la réflexion quantique qu'à des conditions d'incidence proches du rasage."

Un troisième mécanisme de réflexion, qui diffère de la réflexion classique et quantique, est basé sur la diffraction des ondes de Broglie d'atomes ou de molécules à partir des bords de demi-plans, qui sont des crêtes très étroites sur une surface. Ce mécanisme, observé pour la première fois au Japon par le professeur Shimizu et ses collègues, est maintenant appelé « miroir de diffraction de Fresnel » en raison de son analogie avec la diffraction de bord des ondes lumineuses en optique.

Dans leur étude, Schöllkopf et ses collègues ont observé des modèles de diffraction des ondes de matière entièrement résolus, y compris la réflexion spéculaire et les faisceaux diffractés jusqu'au deuxième ordre de diffraction. Ils ont également constaté qu'à mesure que la largeur de la bande diminuait, efficacités de diffraction transformées du régime connu de réflexion quantique au régime de diffraction de bord.

« Dans notre expérience, nous avons observé la transition de la réflexion quantique pour des largeurs relativement grandes des bandes du réseau au régime aux petites largeurs de bandes où la diffraction des bords domine, " dit Schöllkopf. " De plus, en plus de la réflexion spéculaire (miroir) vue précédemment, nous avons observé des faisceaux intenses de diffraction de réseau jusqu'au deuxième ordre."

Les résultats expérimentaux recueillis par les chercheurs confirment un modèle à paramètre unique développé précédemment, qui est couramment utilisé pour décrire une variété de phénomènes, dont le billard quantique, diffusion des ondes radio en milieu urbain et réflexion des ondes de matière sur les microstructures. De plus, leurs observations suggèrent que ni les mécanismes de réflexion classiques ni quantiques ne sont essentiels pour la diffraction par réflexion des ondes de matière à partir d'un solide structuré, car cela peut résulter exclusivement de la diffraction des bords dans le demi-plan.

"Nos observations nous ont permis de faire une analyse quantitative des efficacités de réflexion et de diffraction, " Bum Suk Zhao de l'UNIST, le chercheur principal de l'étude, dit Phys.org. "Cette, à son tour, a permis un test expérimental du modèle Bogomolny-Schmit de diffraction par réseau demi-plan. Selon cette description de modèle, le phénomène est entièrement évolutif en ce qui concerne la longueur d'onde et les dimensions du réseau demi-plan. Par conséquent, pour un angle d'incidence donné, la diffusion d'ondes de matière atomique de longueur d'onde de 1 nm de Broglie à partir d'un réseau de demi-plans parallèles de période de 4 m montre des effets de diffraction identiques à, par exemple., la diffusion d'ondes radio d'une longueur d'onde de 1 cm sur des bâtiments distants de 40 m.

L'étude menée par Schöllkopf, Zhao et leurs collègues fournissent une confirmation claire du modèle Bogomolny-Schmit. À l'avenir, leurs résultats pourraient également être utilisés comme banc d'essai pour les modèles de réflexion quantique à partir de surfaces microstructurées qui doivent tenir compte de la diffraction des bords dans un demi-plan. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient d'appliquer la diffraction par réseau demi-plan à l'étude de molécules faiblement liées, tels que le dimère et le trimère He.

"En raison de leurs énergies de liaison extrêmement faibles, ces molécules d'hélium di- et triatomiques ne se prêtent pas à de nombreux outils expérimentaux, " expliqua Bum Suk Zhao. " Par exemple, diffusion classique de He 2 d'une surface solide conduira inévitablement à la rupture. Pour surmonter ces limites, des techniques plus expérimentales permettant une manipulation non destructive de ces espèces sont nécessaires. La diffraction par réseau demi-plan est une méthode bien adaptée à cette fin."

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