Європейські фізики досліджували можливість управління результатом обертально-неспругої дифракції молекул дейтерію на монокристалі міді за допомогою магнітного поля. Вони з'ясували, що ймовірність втрати молекулами свого обертання досягає піку вже при дуже малих значеннях поля. Примітно, що втрата молекулами енергії при цьому на дев'ять порядків більше, ніж характерна енергія магнітних маніпуляцій. Дослідження опубліковано в.
Дифракцією називається здатність хвиль огинати перешкоди, порівнянні за розміром з довжиною хвилі. Її чудовою особливістю стало те, що від довжини хвилі залежить і подальше поширення хвилі. У дифракційних решітках цей принцип дозволяє ефективно сортувати світлові промені за різними напрямками залежно від їх кольору, що зробило спектроскопічні методи дуже точними.
З часом фізики знайшли хвильові властивості і у частинок. Хвилі матерії (електронів, нейтронів, атомів, молекул і навіть позитронів) також виявилися здатні до інтерференції і дифракції. У разі дифракції на дифракційних решітках напрямок, під яким полетить пучок частинок, визначається їх енергією. Атоми і молекули відрізняються від інших частинок тим, що внесок в їх енергію дають також і внутрішні ступені свободи, навіть якщо він і не дуже великий.
Типовою ілюстрацією того, як енергетичні рівні можуть впливати на дифракцію, стала обертально-неупругая дифракція. Це явище спостерігається, коли пучок молекул відскакує від кристалічного шару. Воно полягає в появі в дифракційних спектрах додаткових піків, викликаних обміном енергією між обертальними рівнями і поверхнею. Додаткові канали розсіювання роблять дифракцію більш складною і цікавою, тому фізики активно досліджують це явище.
Група фізиків з Великобританії і Нідерландів під керівництвом Хелен Чедвік (Helen Chadwick) і Гіля Алехандровича (Gil Alexandrowicz) з Університету Суонсі досліджувала питання про те, як можна контролювати дифракцію молекул дейтерію при їх зіткненні з мідною поверхнею. Інтуїтивно здається, що будь-який вплив на неспругі процеси має бути енергетично порівнянний з обертальними переходами в молекулі (зазвичай мова йде про мільйелектронвольти). Автори ж показали, для цього насправді достатньо в мільярд разів меншого впливу.
Суть експерименту полягала в наступному. Фізики створювали пучок молекул дейтерію із середньою кінетичною енергією 38,8 мільйелектронвольт, збуджених на основний, перший і другий обертальні подуровни. Вони стикали цей пучок з монокристалом міді при температурі 130 кельвін.
На шляху пучка автори встановлювали складну систему, що складається з гексапольного магніту і соленоїду. Гексапольний магніт виступав у ролі фільтра, на виході з якого молекули володіли станами з певними проекціями ядерного спину і обертального квантового числа. Ці молекули пролітали один метр у слабкому однорідному магнітному полі соленоїда. Ефект Зеемана розщеплював обертальні та ядерні стани, змішуючи вклади від різних проекцій в когерентну суперпозицію, що містить 30 різних членів. Осциляції Рабі, що відбуваються при цьому, впливали на населеність рівнів, що і відбивалося на дифракційному сигналі.
Залежність числа розсіяних мідною поверхнею частинок мала кілька піків, що включають пруге і неупруге розсіювання. Фізики приділили увагу піку, що відповідає втраті молекулами обертання за рахунок ударіння з кристалом, тобто переходам зі стану з J = 2 в стан J = 0, де J - це обертальне квантове число. Очистивши цей сигнал за допомогою додаткового магнітного фільтра від залишкових вкладів, викликаних пружними розсіюваннями, автори досліджували його залежність від магнітного поля соленоїду. Вона виявилася періодичною, що підтвердило механізм осциляцій Рабі. Примітно, що для зміни фази розсіювання на протилежну виявилося достатньо поля всього в 0,9 гаусса, що відповідає пікоелектронвольтному зеемановскому розщепленню.
Тим не менш, простий облік цих осциляцій дав лише якісну згоду з експериментом, оскільки початкова модель вчених не враховувала вплив станів молекул на зіткнення з поверхнею. Це спонукало вчених включити в модель S-матрицю розсіювання, розраховану для монокристала міді за допомогою теорії функціоналу щільності. Після цього модель стала краще відтворювати експеримент, помиляючись тільки в області малих магнітних полів. Аналіз показав, що причиною розбіжності стала недооцінка вкладів з ненульовою зміною проекції обертального квантового числа. Ввівши відповідні параметри S-матриці як підгоночні, фізикам вдалося отримати хорошу згоду.
Ефекти квантової інтерференції, які спостерігаються в досвіді з обертально-неупругою дифракцією, досить складні. Разом з тим фізики продовжують вивчати це явище і в більш простих і традиційних дослідах, наприклад, у щілинному експерименті. Ми вже розповідали, як внесок в інтерференційну картину при проходженні фотона через три щілини дають неможливі з точки зору класичної фізики траєкторії.