Троянский волновой пакет
Троянский волновой пакет — это волновой пакет нестационарный и нераспространяющийся . Это часть искусственно созданной системы, состоящей из ядра и одного или нескольких электронных волновых пакетов и сильно возбуждаемой непрерывным электромагнитным полем. Его открытие как один из значительных вкладов в квантовую теорию было награждено медалью Вигнера 2022 года Иво Бялиницкого-Бирулы. [1]
Сильное поляризованное электромагнитное поле удерживает или «захватывает» каждый электронный волновой пакет на намеренно выбранной орбите (энергетической оболочке). [2] [3] Они получили свои названия от троянских астероидов в системе Солнце-Юпитер. [4] Троянские астероиды вращаются вокруг Солнца на точках орбите Юпитера в его лагранжевого равновесия L4 и L5, где они синхронизированы по фазе и защищены от столкновений друг с другом, и это явление аналогично тому, как волновой пакет удерживается вместе.
Концепции и исследования
[ редактировать ]Концепция троянского волнового пакета заимствована из процветающей области физики, которая манипулирует атомами и ионами на атомном уровне, создавая ионные ловушки . Ионные ловушки позволяют манипулировать атомами и используются для создания новых состояний материи, включая ионные жидкости , кристаллы Вигнера и конденсаты Бозе-Эйнштейна . [5] Эта способность напрямую манипулировать квантовыми свойствами является ключом к разработке применимых наноустройств, таких как квантовые точки и микрочипы-ловушки. В 2004 году было показано, что можно создать ловушку, которая на самом деле представляет собой один атом. Внутри атома поведением электрона можно манипулировать. [6]
В ходе экспериментов 2004 года с использованием атомов лития в возбужденном состоянии исследователям удалось локализовать электрон на классической орбите за 15 000 оборотов (900 нс). Оно не распространялось и не рассеивалось. Этот «классический атом» был синтезирован путем «привязки» электрона с помощью микроволнового поля, с которым его движение синхронизировано по фазе. Фазовая синхронизация электронов в этой уникальной атомной системе, как упоминалось выше, аналогична фазовой синхронизации астероидов на орбите Юпитера. [7]
Методы, исследованные в этом эксперименте, являются решением проблемы, которая возникла еще в 1926 году. Физики того времени поняли, что любой изначально локализованный волновой пакет неизбежно будет распространяться по орбите электронов. Физики заметили, что «волновое уравнение является дисперсионным для атомного кулоновского потенциала». В 1980-х годах несколько групп исследователей доказали, что это правда. Волновые пакеты распространялись по всем орбитам и когерентно интерферировали друг с другом. Недавно реальная инновация, реализованная с помощью таких экспериментов, как троянские волновые пакеты, заключается в локализации волновых пакетов, то есть без дисперсии. Применение поляризованного кругового электромагнитного поля на микроволновых частотах, синхронизированного с электронным волновым пакетом, намеренно удерживает электронные волновые пакеты на орбите лагранжевого типа. [8] [9] Эксперименты с троянскими волновыми пакетами основаны на предыдущих работах с атомами лития в возбужденном состоянии. Это атомы, которые чувствительно реагируют на электрические и магнитные поля, имеют относительно продолжительные периоды распада, и электроны, которые фактически действуют на классических орбитах. Чувствительность к электрическим и магнитным полям важна, поскольку она позволяет контролировать поляризованное микроволновое поле и реагировать на него. [10]
За пределами одноэлектронных волновых пакетов
[ редактировать ]Следующим логическим шагом является попытка перейти от одиночных электронных волновых пакетов к более чем одному электронному волновому пакету . Это уже было достигнуто в бария атомах с двумя электронными волновыми пакетами. Эти двое были локализованы. Однако в конечном итоге они создали дисперсию после столкновения вблизи ядра . Другой метод использовал недисперсионную пару электронов, но один из них должен был иметь локализованную орбиту, близкую к ядру. Демонстрация недисперсионных двухэлектронных троянских волновых пакетов все меняет. Это следующий шаг аналога одного электрона.Троянские волновые пакеты – и предназначены для возбужденных атомов гелия. [12] [13]
По состоянию на июль 2005 года были созданы атомы с когерентными стабильными двухэлектронными недиспергирующими волновыми пакетами. Это возбужденные гелиоподобные атомы или квантовые точки гелия (в твердотельных приложениях) и являются атомными (квантовыми) аналогами задачи трех тел Ньютона классической физики , которая включает в себя современную астрофизику . В тандеме электромагнитное и магнитное поля с круговой поляризацией стабилизируют двухэлектронную конфигурацию в атоме гелия или квантовую точку гелия (с примесным центром). Стабильность сохраняется в широком спектре , поэтому конфигурация двух электронных волновых пакетов считается истинно недисперсионной. Например, благодаря квантовой точке гелия, сконфигурированной для удержания электронов в двух пространственных измерениях, теперь существует множество конфигураций троянских волновых пакетов с двумя электронами, а по состоянию на 2005 год - только с одним в трех измерениях. [14] В 2012 году был предпринят важный экспериментальный шаг: не только генерация, но и блокировка троянских волновых пакетов на адиабатически измененной частоте и расширение атомов, как когда-то предсказывали Калински и Эберли . [15] Это позволит создать в гелии двухэлектронный троянский волновой пакет Ленгмюра путем последовательного возбуждения в адиабатическом штарковском полеспособен создать круглый одноэлектронный ореол над He +
сначала, а затем поместите второй электрон в аналогичное состояние. [16]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бялыницкий-Бирула, Иво; Калински, Мэтт; Эберли, Дж. Х. (1994). «Точки равновесия Лагранжа в небесной механике и пакеты нераспространяющихся волн для сильно управляемых ридберговских электронов» (PDF) . Письма о физических отзывах . 73 (13): 1777–1780. Бибкод : 1994PhRvL..73.1777B . doi : 10.1103/PhysRevLett.73.1777 . ПМИД 10056884 .
- ^ Бялыницкая-Бирула, Зофья; Бялыницкий-Бирула, Иво (1997). «Радиационный распад троянских волновых пакетов» (PDF) . Физический обзор А. 56 (5): 3623. Бибкод : 1997PhRvA..56.3623B . дои : 10.1103/PhysRevA.56.3623 .
- ^ Калински, Мацей; Эберли, Дж. Х. (1996). «Троянские волновые пакеты: теория Матье и генерация из круговых состояний». Физический обзор А. 53 (3): 1715–1724. Бибкод : 1996PhRvA..53.1715K . дои : 10.1103/PhysRevA.53.1715 . ПМИД 9913064 .
- ^ Кочанский, Петр; Бялыницкая-Бирула, Зофья; Бялиницкий-Бирула, Иво (2000). «Сжатие электромагнитного поля в полости электронами в троянских состояниях». Физический обзор А. 63 (1): 013811. arXiv : quant-ph/0007033v1 . Бибкод : 2000PhRvA..63a3811K . дои : 10.1103/PhysRevA.63.013811 . S2CID 36895794 .
- ^ Эндрюс, MR; К. Г. Таунсенд; Х.-Ж. Миснер; сержант Дарфи; Д.М. Курн; В. Кеттерле (1997). «Наблюдение интерференции между двумя бозе-конденсатами». Наука . 275 (5300): 637–641. CiteSeerX 10.1.1.38.8970 . дои : 10.1126/science.275.5300.637 . ПМИД 9005843 . S2CID 38284718 .
- ^ Маэда, Х. и Галлахер, Т.Ф. (2004). «Недиспергирующие волновые пакеты». Физ. Преподобный Летт . 92 (13): 133004. Бибкод : 2004PhRvL..92m3004M . doi : 10.1103/PhysRevLett.92.133004 . ПМИД 15089602 .
- ^ Маэда, Х.; ДВЛ Норум; Т.Ф. Галлахер (2005). «Микроволновое манипулирование атомным электроном на классической орбите». Наука . 307 (5716): 1757–1760. Бибкод : 2005Sci...307.1757M . дои : 10.1126/science.1108470 . ПМИД 15705805 . S2CID 12153532 . Первоначально опубликовано в журнале Science Express 10 февраля 2005 г.
- ^ Страуд, Ч.Р. младший (2009). «Астрономическое решение старой квантовой проблемы» . Физика . 2 (19): 19. Бибкод : 2009PhyOJ...2...19S . дои : 10.1103/Физика.2.19 .
- ^ Мюррей, компакт-диск; Дермот, Сан-Франциско (2000). Динамика Солнечной системы . Кембридж, Соединенное Королевство: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57597-3 .
- ^ Исследовательская группа Меткалфа (08 ноября 2004 г.). «Ридберг Атом Оптикс» . Университет Стони Брук. Архивировано из оригинала 26 августа 2005 года . Проверено 30 июля 2008 г.
- ^ Радостные манеры (2000). Квантовая физика: Введение . ЦРК Пресс. стр. 53–56. ISBN 978-0-7503-0720-8 .
- ^ Бродский, М.; Житенев, Н.Б.; Ашури, Колорадо; Пфайффер, Л.Н.; Уэст, КВ (2000). «Локализация в искусственном беспорядке: две связанные квантовые точки». Письма о физических отзывах . 85 (11): 2356–9. arXiv : cond-mat/0001455 . Бибкод : 2000PhRvL..85.2356B . doi : 10.1103/PhysRevLett.85.2356 . ПМИД 10978009 . S2CID 22967562 .
- ^ Берман, Д.; Житенев Н.; Ашури, Р.; Шайеган, М. (1999). «Наблюдение квантовых флуктуаций заряда на квантовой точке». Письма о физических отзывах . 82 (1): 161–164. arXiv : cond-mat/9803373 . Бибкод : 1999PhRvL..82..161B . doi : 10.1103/PhysRevLett.82.161 . S2CID 26475397 .
- ^ Калински, Мэтт; Хансен, Лорен; Дэвид, Фаррелли (2005). «Недисперсионные двухэлектронные волновые пакеты в атоме гелия». Письма о физических отзывах . 95 (10): 103001. Бибкод : 2005PhRvL..95j3001K . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.103001 . ПМИД 16196925 .
- ^ Калински, М.; Эберли, Дж. (1997). «Направление электронных орбит с помощью чирпированного света». Оптика Экспресс . 1 (7): 216–20. Бибкод : 1997OExpr...1..216K . дои : 10.1364/OE.1.000216 . ПМИД 19373404 .
- ^ Уайкер, Б.; Да.; Даннинг, ФБ; Ёсида, С.; Рейнхольд, Колорадо; Бургдёрфер, Дж. (2012). «Создание и транспортировка троянских пакетов Wave» (PDF) . Письма о физических отзывах . 108 (4): 043001. Бибкод : 2012PhRvL.108d3001W . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.043001 . ПМИД 22400833 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]Книги
[ редактировать ]- Марч, Раймонд Э.; Джон Ф. Дж. Тодд (1995). Практические аспекты масс-спектрометрии с ионной ловушкой: Том I: Основы масс-спектрометрии с ионной ловушкой . США: CRC Press. ISBN 978-0-8493-4452-7 .
- Марч, Раймонд Э.; Джон Ф. Тодд (2005). Масс-спектрометрия с квадрупольной ионной ловушкой (2-е изд.). Уайли, Джон и сыновья, Инкорпорейтед. ISBN 978-0-471-48888-0 .
Журнальные статьи
[ редактировать ]- Сирко, Л.; Кох, премьер-министр (1995). «Приближение маятника для главного квантового резонанса в периодически движущихся атомах водорода». Прикладная физика Б: Лазеры и оптика . 60 : С195–С202.
- Клар, Х. (1989). «Периодические орбиты в атомарном водороде под воздействием лазерного света с круговой поляризацией». Журнал физики Д. 11 (1): 45–52. Стартовый код : 1989ZPhyD..11...45K . дои : 10.1007/BF01436583 . S2CID 123113349 .
- Маэда, Х.; Гуриан, Дж. Х.; Галлахер, ТФ (2009). «Недиспергирующие волновые пакеты Бора». Письма о физических отзывах . 102 (10): 103001–103004. Бибкод : 2009PhRvL.102j3001M . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.103001 . ПМИД 19392109 .
- Страуд, Ч.Р. младший (2009). «Астрономическое решение старой квантовой проблемы» . Физика . 2 : 19. Бибкод : 2009PhyOJ...2...19S . дои : 10.1103/Физика.2.19 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Колебания Ааронова-Бома в «троянских электронах»
- Экспериментальное создание «Троянских волновых пакетов» - доклад Барри Даннингса на youtube
- Многоэлектронные расширения «Троянских волновых пакетов» - выступление Мэтта Калински (1) на YouTube
- Многоэлектронные расширения «Троянских волновых пакетов» - доклад Мэтта Калински (2) на YouTube
- Противоположное явление - Циклоатомы (Презентация PPT Роберта Вагнера) - ускоренное контринтуитивное релятивистское распространение острого гауссовского волнового пакета, первоначально напоминающего основное состояние, в кольцо атома водорода в сверхсильных магнитных и лазерных полях (анимация)