Nazwa tego zjawiska wywodzi się od nazwisk jego odkrywców, czyli Paula Diraca i Petera Kapitza. Duet ten ponad dziewięćdziesiąt lat temu udowodnił, iż tak samo jak światło może rozpraszać się na podwójnej szczelinie i tworzyć wzory rozpraszania, tak i elektrony mogą wykazywać efekty interferencyjne.
Czytaj też: Elektrony zachowują się wbrew oczekiwaniom fizyków. Zaskakujące wyniki obserwacji
Niemal sto lat później badacze wciąż zajmują się tym tematem, a o wynikach ostatnich badań w tej sprawie piszą na łamach Science. Podstawowym aspektem przeprowadzonych eksperymentów było wykorzystanie efektu Kapitza-Diraca do wizualizacji czasowej ewolucji fal elektronowych. Sami zainteresowani określają ją mianem kwantowo-mechanicznej fazy elektronów.
Jak wyglądały starania w tym zakresie? Zaczęło się od dwóch ultrakrótkich impulsów laserowych z przeciwnych kierunków, które nakierowano na ksenon w formie gazowej. Tam, gdzie owe femtosekundowe impulsy się przecinały, powstało wyjątkowo silne pole świetlne istniejące przez ułamki sekundy. W takich okolicznościach elektrony zostały wyrwane z atomów ksenonu, co w praktyce oznaczało zachodzącą jonizację.
Niemiecko-chiński zespół badawczy uzyskał bardzo istotny wynik, obejmujący wizualizację efektów kwantowych w falach elektronowych
Na tym eksperyment się oczywiście nie skończył, ponieważ członkowie zespołu badawczego wystrzelili drugą parę impulsów laserowych. Tym razem ich celem były wyrwane elektrony, a takie podejście doprowadziło do powstania fali stojącej w centrum. Jako że wykorzystane tym razem impulsy były słabsze, to nie doszło do dalszej jonizacji. Wydarzyło się natomiast coś innego: elektrony te zaczęły oddziaływać z wolnymi elektronami, a naukowcy śledzili to zjawisko z wykorzystaniem mikroskopu reakcyjnego.
Jak wyjaśnia jeden z autorów badań, Reinhard Dörner, w miejscu interakcji mogą wydarzyć się trzy rzeczy. O jakie scenariusze chodzi? Na przykład elektron nie wejdzie w interakcję ze światłem. Może się stać odwrotnie – wtedy zostanie rozproszony w lewo lub w prawo. W myśl reguł rządzących fizyką kwantową wszystkie te warianty tworzą razem prawdopodobieństwo mające odzwierciedlenie w funkcji falowej elektronów.
Co istotne, czasowa ewolucja funkcji falowej i jej fazy są zależne od tego, ile czasu upływa między jonizacją a momentem trafienia z udziałem drugiej pary impulsów laserowych. Jakie mogą być praktyczne korzyści płynące z prowadzonych eksperymentów? Mówi się chociażby o zrozumieniu, w jaki sposób elektrony przekształcają się z cząstek kwantowych w całkowicie normalne cząstki w krótkim czasie. Poza tym zebrane informacje powinny pomóc w badaniach nad splątaniem cząstek, nad czym głowił się sam Einstein.
