Мандельштам-бриллюэновская спектроскопия

В чем заключается физический эффект, лежащий в основе мандельштам-бриллюэновской спектроскопии? Кем была открыта эта технология? В каких областях она применяется? Об этом рассказывает кандидат физико-математических наук Сергей Демокритов.

Мандельштам-бриллюэновская спектроскопия дает возможность изучать относительно медленные с точки зрения света, но очень быстрые с точки зрения нашей обычной жизни процессы с помощью света. История этой технологии ведет к 1922 году, когда Мандельштам в Ленинграде опубликовал статью, в которой предложил использовать неупругое рассеяние света для того, чтобы изучать возбуждения в твердых или жидких телах. К сожалению, из-за того, что в Советской России в то время шла Гражданская война, эту статью не видели ученые на Западе. В 1927 году французский ученый Бриллюэн независимо от Мандельштама предсказал очень похожий эффект. Эффект заключается в том, что если свет распространяется в некой твердой или жидкой среде, то существует вероятность процесса, когда фотон света поглотит или испустит квант возбуждения, существующего в среде, и таким образом изменит свою энергию и направление своего движения. Например, в случае со звуком фотон может поглотить или излучить фонон. Изучая рассеяние света, можно увидеть разницу по энергии, то есть по частоте этого света. По измеренной разнице можно понять, какая энергия соответствовала поглощенным или излученным квантам.

Мандельштам-бриллюэновская спектроскопия сыграла решающую роль при открытии бозе-эйнштейновской конденсации магнонов. В этом случае нужно было изучать не только спектр частицы, но и заселение частиц по состояниям, а спектроскопия позволяет не только сказать, какая энергия у частицы с определенным волновым вектором, но и сколько этих частиц существует в системе. Таким образом, изменяя вектор, можно построить функцию заполнения, которая и определяет статистику. В бозе-эйнштейновской конденсации основной эффект заключается в том, что в этой функции распределения образуется сингулярность, то есть одно состояние оказывается заселено гораздо больше, чем все остальные. Это удалось показать напрямую с помощью мандельштам-бриллюэновского рассеяния света, проводя эксперимент на системах, где была обнаружена бозе-эйнштейновская конденсация.

Мандельштам-бриллюэновская спектроскопия, используя квантовые эффекты, представляет собой способ для очень чувствительного измерения температур. Согласно квантово-механической статистике вероятность процессов излучения и поглощения частицы неравна. Это означает, что если мы возьмем и посмотрим спектр рассеянного света, то количество фотонов, соответствующих процессу поглощения частицы, и количество фотонов, соответствующих процессу излучения частицы, оказывается неравным. И это отношение является прямой мерой температуры системы. Таким образом можно измерять температуру систем с очень хорошим пространственным разрешением.