Молекулярный пучок получается путем расширения газа при более высоком давлении через небольшое отверстие в камеру при более низком давлении для формирования пучка частиц ( атомов , свободных радикалов , молекул или ионов ), движущихся с приблизительно равными скоростями , с очень небольшим количеством столкновений между частицами. Молекулярные пучки полезны для изготовления тонких пленок в молекулярно-лучевой эпитаксии и искусственных структур, таких как квантовые ямы , квантовые провода и квантовые точки . Молекулярные пучки также применяются в качестве скрещенных молекулярных пучков . Молекулами в молекулярном пучке можно управлять с помощью электрических и магнитных полей . [1] Молекулы можно замедлять в замедлителе Штарка или в замедлителе Зеемана .
Первым, кто изучал эксперименты с атомными пучками, был Луи Дюнуайе де Сегонзак в 1911 году, но это были простые эксперименты, подтверждающие, что атомы движутся по прямым линиям, когда на них не действуют внешние силы. [2]
В 1921 году Хартмут Каллман и Фриц Райхе написали [3] об отклонении пучков полярных молекул в неоднородном электрическом поле с конечной целью измерения их дипольных моментов . Просмотр корректуры работы Каллмана и Райхе побудил Отто Штерна из Гамбургского университета и Франкфуртского университета на Майне поторопиться с публикацией своей работы с Вальтером Герлахом о том, что позже стало известно как эксперимент Штерна–Герлаха . (Статья Штерна ссылается на препринт, но работа Каллмана и Райхе осталась в значительной степени незамеченной. [4] )
Когда в 1922 году появилась статья Штерна-Герлаха, это вызвало сенсацию: они утверждали, что экспериментально продемонстрировали «пространственное квантование»: явное доказательство квантовых эффектов в то время, когда классические модели все еще считались жизнеспособными. [4] : 50 Первоначальное квантовое объяснение измерения — как наблюдение орбитального углового момента — было неверным. Потребовалось пять лет интенсивной работы над квантовой теорией, прежде чем стало понятно, что эксперимент был на самом деле первой демонстрацией квантового электронного спина [2] Группа Штерна продолжила проводить пионерские эксперименты с атомными пучками, а позднее и с молекулярными пучками. Достижения Штерна и его коллег привели к решающим открытиям, включая: открытие пространственного квантования ; волны материи де Бройля ; аномальные магнитные моменты протона и нейтрона ; отдача атома при испускании фотона ; и ограничение сечений рассеяния для молекулярных столкновений, налагаемое принципом неопределенности [2]
Первым, кто сообщил о связи между дипольными моментами и отклонением в молекулярном пучке (с использованием бинарных солей, таких как KCl ), был Эрвин Вреде в 1927 году. [5] [4]
В 1939 году Исидор Раби изобрел метод магнитного резонанса с молекулярным пучком , в котором два магнита, размещенные один за другим, создают неоднородное магнитное поле. [6] Метод использовался для измерения магнитного момента нескольких изотопов лития с помощью молекулярных пучков LiCl , LiF и дилития . [7] [8] Этот метод является предшественником ЯМР . Изобретение мазера в 1957 году Джеймсом П. Гордоном , Гербертом Дж. Зейгером и Чарльзом Х. Таунсом стало возможным благодаря молекулярному пучку аммиака и специальному электростатическому квадрупольному фокусеру. [9]
Изучение молекулярного пучка привело к развитию молекулярно-лучевой эпитаксии в 1960-х годах.