VII. Neutronová interferometrie KOTLÁŘSKÁ 5. DUBNA 2006 F4110 Fyzika atomárních soustav letní semestr 2005 - 2006.

Prezentace na téma: "VII. Neutronová interferometrie KOTLÁŘSKÁ 5. DUBNA 2006 F4110 Fyzika atomárních soustav letní semestr 2005 - 2006."— Transkript prezentace:

1 VII. Neutronová interferometrie KOTLÁŘSKÁ 5. DUBNA 2006 F4110 Fyzika atomárních soustav letní semestr 2005 - 2006

2 Úvodem Planckova konstanta od teď bude rozhodující budeme sledovat komplementaritu částice – vlna nejprve kvalitativní pohled na de Broglieho/Schrödingerovy vlny pak něco o neutronech neutronová interference – mezi nejkrásnějšími pokusy s vlnovými vlastnostmi částic teoretický přístup fysikální optiky – analogický teorii optického Machova-Zehnderova interferometru

3 Schrödingerovy vlny

4 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 4 Schrödingerovy vlny Volná částice: rovinná vlna tomu odpovídá Schrödingerova rovnice Částice ve vnějším poli: stacionární řešení de Broglie dvě řešení … stoj. vlna volba počátku energií 1. řádu v čase … poč. podm. lineární … princip superposice velikost lokálního vlnového vektoru

5 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 5 Schrödingerovy vlny Volná částice: rovinná vlna tomu odpovídá Schrödingerova rovnice Částice ve vnějším poli: stacionární řešení de Broglie dvě řešení … stoj. vlna volba počátku energií 1. řádu v čase … poč. podm. lineární … princip superposice velikost lokálního vlnového vektoru

6 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 6 Schrödingerovy vlny Volná částice: rovinná vlna tomu odpovídá Schrödingerova rovnice Částice ve vnějším poli: stacionární řešení de Broglie dvě řešení … stoj. vlna volba počátku energií 1. řádu v čase … poč. podm. lineární … princip superposice velikost lokálního vlnového vektoru

7 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 7 Schrödingerovy vlny Volná částice: rovinná vlna tomu odpovídá Schrödingerova rovnice Částice ve vnějším poli: stacionární řešení de Broglie dvě řešení … stoj. vlna volba počátku energií 1. řádu v čase … poč. podm. lineární … princip superposice velikost lokálního vlnového vektoru

8 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 8 Schrödingerovy vlny – kvasiklasická aproximace Částice ve vnějším poli: Schrödingerova rovnice stacionární řešení velikost lokálního vlnového vektoru vln. klubka stacionární vlny

9 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 9 Schrödingerovy vlny – kvasiklasická aproximace Částice ve vnějším poli: Schrödingerova rovnice stacionární řešení velikost lokálního vlnového vektoru vln. klubka stacionární vlny klasické trajektorie

10 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 10 Schrödingerovy vlny – kvasiklasická aproximace Částice ve vnějším poli: Schrödingerova rovnice stacionární řešení velikost lokálního vlnového vektoru vln. klubka stacionární vlny klasické trajektorie vlastně Fresnelova aproximace fys. optiky INDEX LOMU

11 Neutrony

12 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 12 Proč právě neutronová interferometrie Jistě i jiné částice byly použity … neutrony ale poskytují mimořádně citlivé interferometrické metody posloužily k provedení mimořádně krásných experimentů částicenábojhmotnostspinmagn. momentdoba života elektron- em e = 0,00055 u½ 1,001  e stabilní proton+ e1,00782 u½ 2,793  p stabilní neutron01,00866 u½ -1,913  p 932 s V látce neutron interaguje prostřednictvím jaderných sil nebo magn. momentu … kontaktní interakce. Většinou spíše slabá. Jinak prochází Žádoucí vlnová délka např. 1.8 Å = 0.18 nm částiceenergie eVrychlost m/s elektron46.44 041 000 neutron0.0253 = 293 k B 2 200

13 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 13 Proč právě neutronová interferometrie Jistě i jiné částice byly použity … neutrony ale poskytují mimořádně citlivé interferometrické metody posloužily k provedení mimořádně krásných experimentů částicenábojhmotnostspinmagn. momentdoba života elektron- em e = 0,00055 u½ 1,001  e stabilní proton+ e1,00782 u½ 2,793  p stabilní neutron01,00866 u½ -1,913  p 932 s V látce neutron interaguje prostřednictvím jaderných sil nebo magn. momentu … kontaktní interakce. Většinou spíše slabá. Jinak prochází Žádoucí vlnová délka např. 1.8 Å = 0.18 nm částiceenergie eVrychlost m/s elektron46.44 041 000 neutron0.0253 = 293 k B 2 200 tepelné elektrony snadno se získají termalisací neutronů ze zdroje rozumně velká klubka prolétající aparaturou 0.1 m urazí za 45 mikrosekund, velmi pohodlná doba žije mnohem déle, než trvá jeho průchod aparaturou

14 Experimenty s interferencí neutronů

15 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 15 Tři příklady aparatur … které nemáme dnes na mysli ohyb na dvojštěrbině otázka: proč zrovna bor jako materiál pro dvojštěrbinu neutronové biprisma všimněte si ale biprismatu. jsou to opravdové křemenné hranoly, ale uspořádané jako rozptylka: index lomu n < 1 magnetický rozptyl na mřížce domén v železe tato mřížka vzniká v železe spontánně a je dostatečně pravidelná pro vznik interferencí

16 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 16 neutronová dvojštěrbina

17 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 17 srovnání se známějšími biprismaty ELEKTRONOVÉ OPTICKÉ B I P R I Z M A

18 Neutrony: Mach-Zehnderův interferometr

19 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 19 Inspirace z fysikální optiky: Interferometr systému Mach-Zehnder Uvedené systémy pro interferenci neutronů nedávaly prostorově oddělené dráhy, do kterých by se daly vkládat vzorky, kompensační a justační členy atd. V optice však byl takový systém dávno znám: Mach-ZehnderRoschdestwenski Čím se liší: u MZ jsou paralelní dvojice MM, PP, u R zase MP, MP. Vzájemné natočení obou dvojic určuje šířku interferenčních proužků v prostoru. Čím je úhel menší, proužky jsou širší. Oba svazky jsou symetrické … stejný počet odrazů i průchodů, stejné dráhy, které lze ještě dokompensovat

20 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 20 Optický interferometr systému Mach-Zehnder Uvedené systémy pro interferenci neutronů nedávaly prostorově oddělené dráhy, do kterých by se daly vkládat vzorky, kompensační a justační členy atd. V optice však byl takový systém dávno znám: Mach-ZehnderRoschdestwenski Čím se liší: u MZ jsou paralelní dvojice MM, PP, u R zase MP, MP. Vzájemné natočení obou dvojic určuje šířku interferenčních proužků v prostoru. Čím je úhel menší, proužky jsou širší. Oba svazky jsou symetrické … stejný počet odrazů i průchodů, stejné dráhy, které lze ještě dokompensovat Známá aplikace: měření anomální disperse v atomových parách kyvety pára prázdné

21 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 21 Si neutronový interferometr podle Bonseho a Raucha (1974) Uskutečnitelný díky rozvoje křemíkové technologie pro polovodičový průmysl. Už tenkrát uměli vypěstovat monokrystal křemíku o průměru 8 i 10 cm (3 a 4 inche) a s vysokou dokonalostí Dnes jsou Si monokrystaly základem mezinárodních metrologických systémů – určení Avogadrovy konstanty atd. monokrystal ve tvaru válce

22 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 22 Si neutronový interferometr podle Bonseho a Raucha (1974) Uskutečnitelný díky rozvoje křemíkové technologie pro polovodičový průmysl. Už tenkrát uměli vypěstovat monokrystal křemíku o průměru 8 i 10 cm (3 a 4 inche) a s vysokou dokonalostí Dnes jsou Si monokrystaly základem mezinárodních metrologických systémů – určení Avogadrovy konstanty atd. monokrystal ve tvaru válce z něj se vyřeže interferometr jako celek i vzdálené oblasti při pečlivé práci uchovají krystalografické uspořádání na dálku

23 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 23 Si neutronový interferometr podle Bonseho a Raucha (1974) Uskutečnitelný díky rozvoje křemíkové technologie pro polovodičový průmysl. Už tenkrát uměli vypěstovat monokrystal křemíku o průměru 8 i 10 cm (3 a 4 inche) a s vysokou dokonalostí Dnes jsou Si monokrystaly základem mezinárodních metrologických systémů – určení Avogadrovy konstanty atd.

24 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 24 Si neutronový interferometr podle Bonseho a Raucha (1974) schema průchodu neutronového svazku schema průchodu světla Mach-Zehnederovým interferometrem

25 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 25 Si neutronový interferometr podle Bonseho a Raucha (1974) schema průchodu neutronového svazku schema průchodu světla Mach-Zehnederovým interferometrem SYMETRICKÉ USPOŘÁDÁNÍ PAPRSKŮ FÁZOVÝ KOMPENZÁTOR

26 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 26 Si neutronový interferometr podle Bonseho a Raucha (1974) BRAGGOVY REFLEXE krystalové roviny ve směru osy interferometru

27 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 27 Si neutronový interferometr podle Bonseho a Raucha (1974) BRAGGOVY REFLEXE krystalové roviny ve směru osy interferometru V e skutečnosti složitá úloha z dynamické teorie difrakce, klade přísné podmínky na přesnost zhotovení interferometru

28 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 28 Celé zařízení schema z r. 1974

29 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 29 Celé zařízení schema z r. 1974 KOMPLEMENTARITA V PRAXI termalisace lokalis. r částice kolimace neurčité monochromatisace vlna p dopadající svazek neurčité vlastní experiment vlna p interference vycházející svazky neurčité detekce – redukce lokalis. r ztráta kvantové částice koherence

30 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 30 Současná verse instalovaná v ILL Grenoble vlastně překvapivě stejné, jenom parametry jsou mnohem lepší

31 Kvantová gravimetrie

32 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 32 Interferenční gravimetrie Zpravidla se vliv gravitace v kvantové mechanice zanedbává, jsou to malé síly. Kolik tak činí gravitační potenciál neutronu v poli Zemské tíže? S tímto výsledkem můžeme trajektorie vzít jako bez účinku gravitačního pole Dráhový rozdíl H L L ruší se navzájem A B C D

33 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 33 Interferenční gravimetrie Zpravidla se vliv gravitace v kvantové mechanice zanedbává, jsou to malé síly. Kolik tak činí gravitační potenciál neutronu v poli Zemské tíže? S tímto výsledkem můžeme trajektorie vzít jako bez účinku gravitačního pole Dráhový rozdíl H L L ruší se navzájem A B C D

34 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 34 Interferenční gravimetrie Zpravidla se vliv gravitace v kvantové mechanice zanedbává, jsou to malé síly. Kolik tak činí gravitační potenciál neutronu v poli Zemské tíže? S tímto výsledkem můžeme trajektorie vzít jako bez účinku gravitačního pole Dráhový rozdíl H L L ruší se navzájem plocha obemknutá drahami měníme natáčením A B C D

35 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 35 Interferenční gravimetrie: jeden z prvních výsledků osa natáčení je vodorovná COW experiment … Collela, Overhauser, Werner

36 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 36 Interferenční gravimetrie: jeden z prvních výsledků osa natáčení je vodorovná COW experiment … Collela, Overhauser, Werner

37 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 37 Interferenční gravimetrie: jeden z prvních výsledků osa natáčení je vodorovná COW experiment … Collela, Overhauser, Werner

38 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 38 Interferenční gravimetrie: jeden z prvních výsledků osa natáčení je vodorovná COW experiment … Collela, Overhauser, Werner  nepravděpodobně citlivé

39 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 39 Interferenční gravimetrie: jeden z prvních výsledků osa natáčení je vodorovná COW experiment … Collela, Overhauser, Werner  nepravděpodobně citlivé  kontrast brzo vymizí: to neumíme vysvětlit jen počítáním fázových posuvů. Příště úplnější teorie

40 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 40 Co s tím dál ? DVĚ MOŽNOSTI Věříme na princip ekvivalence. Pak je to velmi přesná gravimetrická metoda gravimetrie … měření gravit. účinků Země na daném místě lze studovat rotaci Země, vliv Coriolisovy síly atd. lze sledovat změny grav. pole. např. v Missouri cítí příliv a odliv v Tichém ocánu hodláme ověřovat princip ekvivalence v kvantové mechanice Ehrenfestův theorém …. stejné, jako v klasické fysice Ve Schrödingerově rovnici jiná kombinace vzorec pro fázový rozdíl je nezávisle měřitelná kombinace:

41 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 41 Zvýšení citlivosti můžeme zvětšit rozměryhmotnostvln. délku VELMI STUDENÉ NEUTRONY skleněné holografické mřížky dráhy částic v interferometru okolo 1metru STUDENÉ ATOMY CESIA mřížky stojatých světelných vln dráhy částic v interferometru okolo 1metru

42 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 42 Gravimetrie s cesiovými atomy Stanford, California slapové efekty v zemské kůře teoretický fit I. bez vlivu oceánu II. se započtením vlivu oceánského vzdutí

43 Šíření neutronů v nemagnetických látkách

44 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 44 Interakce neutronů s hmotou neutron jádro bodově kontaktní interakce experiment potvrzuje čistě isotropní rozptyl (stejný ve všech směrech). To je signatura krátkodosahového rozptylového potenciálu FERMIHO PSEUDOPOTENCIÁL rozptylová délka z experimentu Konstanty jsou nastaveny tak, že již v Bornově aproximaci

45 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 45 Ukázka parametrů barn [stodola] = 10 -28 m 2 běžné hodnoty pro elastický rozptyl

46 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 46 Ukázka parametrů barn [stodola] = 10 -28 m 2 běžné hodnoty pro elastický rozptyl kadmium absorbuje neutrony a slouží k řízení reaktoru bor absorbuje neutrony a emituje  částici; slouží k detekci neutronů

47 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 47 BF 3 detektor neutronů reakce náboj 2 e normální detekce

48 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 48 Optický potenciál neutronů v PL Dlouhovlnné neutrony vnímají prostorovou střední hodnotu potenciální energie celková potenciální energie ve vzorku  efektivní konstantní pot. energie hustota atomů polohy jednotlivých atomů

49 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 49 Optický potenciál neutronů v PL Dlouhovlnné neutrony vnímají prostorovou střední hodnotu potenciální energie Interferenčním měřením indexu lomu najdeme rozptylovou délku b !!! celková potenciální energie ve vzorku  efektivní konstantní pot. energie index lomu

50 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 50 Optický potenciál neutronů v PL Dlouhovlnné neutrony vnímají prostorovou střední hodnotu potenciální energie Interferenčním měřením indexu lomu najdeme rozptylovou délku b !!! celková potenciální energie ve vzorku  efektivní konstantní pot. energie index lomu makroskopickýmmikroskopickou

51 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 51 Optický potenciál neutronů v PL Dlouhovlnné neutrony vnímají prostorovou střední hodnotu potenciální energie Interferenčním měřením indexu lomu najdeme rozptylovou délku b !!! Zasouváním klínu z hliníku narůstá dráhový rozdíl celková potenciální energie ve vzorku  efektivní konstantní pot. energie index lomu makroskopickýmmikroskopickou PRVNÍ MĚŘENÍ TOHOTO TYPU

52 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 52 Optický potenciál neutronů v PL Dlouhovlnné neutrony vnímají prostorovou střední hodnotu potenciální energie Interferenčním měřením indexu lomu najdeme rozptylovou délku b !!! Zasouváním klínu z hliníku narůstá dráhový rozdíl celková potenciální energie ve vzorku  efektivní konstantní pot. energie index lomu makroskopickýmmikroskopickou PRVNÍ MĚŘENÍ TOHOTO TYPU

53 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 53 Ke vzniku optického potenciálu

54 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 54 Ukázka skutečných hodnot o.k.

55 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 55 Ukázka skutečných hodnot UKÁZKA VÝPOČTU PRO HLINÍK hustota  = 2699 kg/m3 relativní atomová hmotnost A = 27 o.k.

56 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 56 Moderní přesné měření (NIST) Vyloučení justačních (geometrických) chyb přesouvání vzorku mezi oběma cestami natáčení po krocích ve sklonu a v azimutu

57 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 57 Vyloučení geometrických chyb

58 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 58 Moderní přesné měření (NIST) Moderní přesné měření v NIST údaje pro křemík b new = 4.1507(2) fm b accepted = 4.1490(10) fm Uncertainty level is at 0.005%, an improvement of a factor of 5 over previous best measurement [C.G. Shull and J.A. Oberteuffer, Phys. Rev. Lett. 29, 867 (1972); also C.G. Shull, Phys. Rev. Lett. 21, 1585 (1968)]. Sources of uncertainty: 1.Variations in the thickness D amounting to 0.005 %. 2.Statistical 0.001 %. 3.Alignment 0.0002 %. 4.Density 0.0001 %.

59 The end

60 5.4.2006 VII. Neutronová interferometrie 60 Pro srovnání: zvukové vlny ve vzduchu