分子ビーム

分子ビームは、高圧のガスを小さな開口部から低圧のチャンバー内に膨張させ、ほぼ等速度で粒子（原子、フリーラジカル、分子、イオン）同士の衝突がほとんどない状態で移動する粒子ビームを形成することによって生成されます。分子ビームは、分子線エピタキシーにおける薄膜や、量子井戸、量子細線、量子ドットなどの人工構造の製造に有用です。分子ビームは交差分子ビームとしても応用されています。分子ビーム内の分子は、電場と磁場によって操作できます。^{[1]分子は、シュタルク減速器または}ゼーマン減速器で減速できます。

歴史

原子ビーム実験を最初に研究したのは1911年のルイ・デュノワイエ・ド・スゴンザックであったが、これは外部からの力が作用していないときに原子が直線的に移動することを確認するための単純な実験であった。^[2]

1921年、ハルトムート・カルマンとフリッツ・ライヒェは、不均一な電場における極性分子のビームの偏向について論文^{[3]を書き、最終的な目的は分子の}双極子モーメントを測定することでした。カルマンとライヒェの研究のページ校正を見たハンブルク大学とフランクフルト大学のオットー・シュテルンは、後にシュテルン・ゲルラッハの実験として知られるようになる、ヴァルター・ゲルラッハとの共同研究の出版を急ぎました。（シュテルンの論文はプレプリントを参照していますが、カルマンとライヒェの研究はほとんど注目されませんでした。^[4]）

1922 年にシュテルン＝ゲルラッハの論文が発表されると、センセーションが巻き起こった。彼らは「空間量子化」を実験的に実証したと主張したのだ。これは、古典的モデルがまだ実行可能と考えられていた時代に、量子効果の明確な証拠だった。 ^[4]^{: 50}測定の当初の量子的説明 (軌道角運動量の観察) は正しくなかった。この実験が実は量子電子スピンの最初の実証であることが認識されるまでに、量子理論に関する 5 年間の集中的な研究が必要だった^[2]シュテルンのグループは、原子ビーム、後には分子ビームを使った先駆的な実験を行った。シュテルンと共同研究者の進歩は、空間量子化の発見、ド・ブロイ物質波、陽子と中性子の異常磁気モーメント、光子放出による原子の反跳、不確定性原理によって課せられた分子衝突の散乱断面積の制限など、決定的な発見につながった^[2]

分子線（KClなどの二成分塩を使用）における双極子モーメントと偏向の関係について最初に報告したのは、1927年のエルヴィン・レーデでした。^[5]^[4]

1939年、イシドール・ラビは、 2つの磁石を交互に配置して不均一な磁場を作り出す分子線磁気共鳴法を発明した。 ^{[6]この方法は、}LiCl、LiF、および二リチウムの分子線を使用して、いくつかのリチウム同位体の磁気モーメントを測定するために使用された。^[7]^{[8]この方法は、}NMRの前身である。1957年にジェームズ・P・ゴードン、ハーバート・J・ザイガー、チャールズ・H・タウンズによって発明されたメーザーは、アンモニアの分子線と特殊な静電四重極フォーカサーによって可能になった。 ^[9]

分子線の研究は1960 年代に分子線エピタキシーの開発につながりました。

参照

参考文献

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[1] ファン・デ・ミーラッカー、セバスティアンYT;ベツレム、ヘンドリック L.ヴァンヘッケ、ニコラス。マイヤー、ジェラルド (2012-03-27)。「分子線の操作と制御」。化学レビュー。112（9）。アメリカ化学会 (ACS): 4828–4878。土井：10.1021/cr200349r。hdl : 2066/103491。ISSN 0009-2665。PMID 22449067。

[:0-2] ラムジー、ノースカロライナ州 (1988)。「分子線：オットー・スターンからの私たちの遺産」。物理学 D のためのツァイシュリフト。10 (2–3): 121–125。Bibcode :1988ZPhyD..10..121R。土井：10.1007/BF01384845。ISSN 0178-7683。S2CID 120812185。

[3] " Kallmann, H.; Reiche, F. (1921). "Über den Durchgang bewegter Moleküle durch inhomogene Kraftfelder". Zeitschrift für Physik (ドイツ語). 6 (1). Springer Science and Business Media LLC: 352–375.ビブコード:1921ZPhy .... 6..352K。土井: 10.1007/bf01327996。S2CID 119947742 。

[:1-4] フリードリヒ、ブレティスラフ; シュミット・ベッキング、ホルスト (2021)、フリードリヒ、ブレティスラフ; シュミット・ベッキング、ホルスト (編)、「オットー・シュテルンの分子ビーム法と量子物理学への影響」、分子ビームの物理学と化学、Cham: Springer International Publishing、pp. 37–88、Bibcode :2021mbpc.book...37F、doi : 10.1007/978-3-030-63963-1_5、ISBN 978-3-030-63962-4

[5] " Wrede, Erwin (1927). "Über die Ablenkung von Molekularstrahlen elektrischer Dipolmoleküle im inhomogenen elektrischen Feld". Zeitschrift für Physik (ドイツ語). 44 (4–5). Springer Science and Business Media LLC: 261–268. Bibcode :1927ZPhy...44..261W。土井: 10.1007 / bf01391193。S2CID 120815653 。

[KelloggMillman-6] ^ケロッグ、 JBM ; ミルマン、S. (1946-07-01). 「分子線磁気共鳴法。原子と分子の無線周波数スペクトル」。現代物理学レビュー。18 (3): 323–352。Bibcode : 1946RvMP ...18..323K。doi : 10.1103/RevModPhys.18.323。ISSN 0034-6861 。

[7] ^ Rabi, II; Millman, S.; Kusch ^, P.; Zacharias, JR (1939-03-15). 「分子線共鳴法による核磁気モーメントの測定。3 Li 6 、3 Li 7 および 9 F 19 の磁気モーメント」。Physical Review。55 ⁽ 6 ⁾。^アメリカ物理^学会( ^APS ) : 526–535。doi : 10.1103/physrev.55.526。ISSN 0031-899X 。

[8] ラビ分子線法 - ファインマン物理学講義

[9] Gordon, JP; Zeiger, HJ; Townes, CH (1954-07-01). 「分子マイクロ波発振器とNH3のマイクロ波スペクトルにおける新しい超微細構造」. Physical Review . 95 (1). American Physical Society (APS): 282–284. Bibcode :1954PhRv...95..282G. doi : 10.1103/physrev.95.282 . ISSN 0031-899X.