Logo
Cover

«Квантовая отдача» описывает воздействие частиц света на движение электронов через различные материалы. Эффект, который был описан теоретически более 80 лет назад, продемонстрировали ученые из Сингапура. Его практическое применение позволит с большей точностью создавать рентгеновское излучение определенных уровней энергии для медицинских приборов и полупроводников.

Советский физик-теоретик и нобелевский лауреат Виталий Гинзбург ввел в 1940 году понятие квантовой отдачи для точного расчета излучения, возникающего, когда заряженные частицы движутся сквозь среду, например, воду, или материалы с повторяющимися паттернами на поверхности, как на крыльях бабочек или графите.

Это излучение создается, когда движущиеся электроны возмущают атомы в среде или материале. Когда атомы возвращаются в состояние покоя, они генерируют излучение, например, рентгеновское. Хотя в таком случае электроны должны терять энергию и замедляться, классическая теория предсказывает, что их воздействие на излучение пренебрежимо мало.

Однако Гинзбург постулировал, что это предположение нарушается, если принять во внимание теорию поля, которая имеет дело со взаимодействием заряженных частиц с электромагнитным полем, а также света с материей. Согласно этой теории, когда движение электронов после столкновения с соседними атомами замедляется, то энергия и импульс, которые они теряют, должны перейти на испускаемое излучение. Это происходит потому, что свет существует как частицы, обладающие энергией и импульсом, которое распространяются в виде волн.

В результате классические представления о поведении излучения оказываются не точны, а замедляющиеся электроны отклоняются от своих траекторий движения. Этот феномен называют квантовой отдачей. Однако до сих пор никто не мог доказать его экспериментально.

Физики из Наньянского технологического университета продемонстрировали эффект квантовой отдачи в ряде отдельных экспериментов, в которых подвергали электроны бомбардировке с помощью сканирующего электронного микроскопа на двух материалах толщиной в 1000 раз меньше, чем волос человека. В качестве материалов они взяли нитрид бора и графит, пишет Phys.org.

Ученые измерили рентгеновское излучение, испускаемое в результате бомбардировок, и обнаружили, что энергия лучей отличается от предсказаний классической теории, но хорошо объясняется квантовой отдачей.

Это открытие может пригодиться для улучшения точности рентгеноскопии, для производства более компактных и дешевых рентгеновских аппаратов, для визуальной инспекции полупроводников.

Почти век назад физик Вернер Гейзенберг, изучавший законы квантовой механики, сформулировал фундаментальные ограничения точности измерения определенных свойств микроскопических объектов. Однако, как выяснила международная команда исследователей, те же законы способны значимо повысить точность до уровня, который ранее не представлялся возможным.