Pakiet fal trojańskich

Animacja ewolucji pakietu fal trojana

Klasyczna symulacja pakietu fal trojana na domowym mikrokomputerze ZX Spectrum z 1982 roku . Pakiet jest aproksymowany przez zespół punktów, początkowo losowo zlokalizowanych w obrębie rzutu Gaussa i poruszających się zgodnie z równaniami Newtona . Zespół pozostaje zlokalizowany. Dla porównania druga symulacja następuje, gdy natężenie pola elektrycznego (wirującego) spolaryzowanego kołowo jest równe zeru, a pakiet (punkty) w pełni rozchodzi się po okręgu.

Pakiet fal trojańskich to pakiet fal , który jest niestacjonarny i nie rozprzestrzenia się. Jest częścią sztucznie stworzonego systemu, który składa się z jądra i jednego lub więcej pakietów fal elektronowych i który jest silnie wzbudzany w ciągłym polu elektromagnetycznym.

Silne, spolaryzowane pole elektromagnetyczne utrzymuje lub „uwięzi” każdy pakiet fal elektronowych na celowo wybranej orbicie (powłoce energetycznej). Wywodzą swoje nazwy od asteroid trojańskich w układzie Słońce-Jowisz. Asteroidy trojańskie krążą wokół Słońca po Jowisza w jego punktach równowagi Lagrange'a L4 i L5, gdzie są zsynchronizowane fazowo i chronione przed kolizją ze sobą, a zjawisko to jest analogiczne do sposobu, w jaki pakiet fal jest trzymany razem.

Koncepcje i badania

Koncepcja pakietu fal trojańskich wywodzi się z kwitnącej dziedziny fizyki, która manipuluje atomami i jonami na poziomie atomowym, tworząc pułapki jonowe . Pułapki jonowe umożliwiają manipulację atomami i są wykorzystywane do tworzenia nowych stanów materii, w tym cieczy jonowych , kryształów Wignera i kondensatów Bosego-Einsteina . Ta zdolność do bezpośredniego manipulowania właściwościami kwantowymi jest kluczem do rozwoju odpowiednich nanourządzeń , takich jak kropki kwantowe i pułapki na mikroczipy. W 2004 roku wykazano, że możliwe jest stworzenie pułapki, którą w rzeczywistości jest pojedynczy atom. Wewnątrz atomu można manipulować zachowaniem elektronu.

Podczas eksperymentów w 2004 roku z użyciem atomów litu w stanie wzbudzonym naukowcy byli w stanie zlokalizować elektron na klasycznej orbicie przez 15 000 orbit (900 ns). Ani się nie rozprzestrzeniał, ani nie rozpraszał. Ten „klasyczny atom” został zsyntetyzowany przez „powiązanie” elektronu za pomocą pola mikrofalowego, w którym jego ruch jest zsynchronizowany fazowo. Blokada fazowa elektronów w tym unikalnym układzie atomowym jest, jak wspomniano powyżej, analogiczna do synchronizacji fazowej asteroid na orbicie Jowisza.

Techniki badane w tym eksperymencie są rozwiązaniem problemu, którego początki sięgają 1926 roku. Fizycy zdali sobie wówczas sprawę, że każdy początkowo zlokalizowany pakiet fal nieuchronnie rozprzestrzeni się wokół orbity elektronów. Fizyk zauważył, że „równanie falowe jest dyspersyjne dla atomowego potencjału kulombowskiego”. W latach osiemdziesiątych kilka grup badaczy udowodniło, że to prawda. Pakiety fal rozprzestrzeniały się po orbitach i spójnie interferowały ze sobą. Ostatnio prawdziwą innowacją zrealizowaną w ramach eksperymentów, takich jak pakiety fal trojańskich, jest lokalizacja pakietów falowych, tj. bez ich rozpraszania. Zastosowanie spolaryzowanego kołowego pola EM o częstotliwościach mikrofalowych, zsynchronizowanego z pakietem fal elektronowych, celowo utrzymuje pakiety fal elektronowych na orbicie typu Lagrange'a. Eksperymenty z pakietami fal trojańskich opierały się na wcześniejszych pracach z atomami litu w stanie wzbudzonym. Są to atomy, które reagują wrażliwie na pola elektryczne i magnetyczne, mają stosunkowo długie okresy rozpadu, oraz elektrony, które faktycznie poruszają się po orbitach klasycznych. Wrażliwość na pola elektryczne i magnetyczne jest ważna, ponieważ umożliwia kontrolę i reakcję spolaryzowanego pola mikrofalowego.

Poza pojedynczymi pakietami fal elektronowych

W fizyce pakiet fal to krótki „wybuch” lub „obwiednia” działania fali, która przemieszcza się jako jednostka. Pakiet fal można przeanalizować lub zsyntetyzować z nieskończonego zestawu składowych fal sinusoidalnych o różnych liczbach falowych , z fazami i amplitudami takimi, że interferują konstruktywnie tylko w małym obszarze przestrzeni i niszcząco gdzie indziej.

Następnym logicznym krokiem jest próba przejścia od pojedynczych pakietów fal elektronowych do więcej niż jednego pakietu fal elektronowych . Zostało to już osiągnięte w baru z dwoma pakietami fal elektronowych. Te dwa były zlokalizowane. Jednak ostatecznie stworzyły one dyspersję po zderzeniu w pobliżu jądra. Inna technika wykorzystywała niedyspersyjną parę elektronów, ale jeden z nich musiał mieć zlokalizowaną orbitę blisko jądra. Demonstracja niedyspersyjnych dwuelektronowych pakietów fal trojańskich zmienia to wszystko. Są to kolejne kroki analogiczne do jednoelektronowych pakietów fal trojańskich – zaprojektowane dla wzbudzonych atomów helu.

Od lipca 2005 roku powstały atomy ze spójnymi, stabilnymi dwuelektronowymi, nierozpraszającymi pakietami falowymi. Są to wzbudzone atomy podobne do helu lub kropki kwantowe helu (w zastosowaniach w stanie stałym ) i są analogami atomowymi (kwantowymi) do problemu trzech ciał klasycznej fizyki Newtona , który obejmuje dzisiejszą astrofizykę . W tandemie, kołowo spolaryzowane pola elektromagnetyczne i magnetyczne stabilizują konfigurację dwóch elektronów w atomie helu lub hel z kropek kwantowych (z centrum zanieczyszczeń). Stabilność jest utrzymywana w szerokim spektrum iz tego powodu konfiguracja dwóch pakietów fal elektronowych jest uważana za prawdziwie niedyspersyjną. Na przykład, w przypadku helu z kropkami kwantowymi, skonfigurowanego do ograniczania elektronów w dwóch wymiarach przestrzennych, istnieje obecnie wiele konfiguracji pakietów fal trojańskich z dwoma elektronami, a od 2005 r. Tylko z jednym w trzech wymiarach. W 2012 roku podjęto istotny krok eksperymentalny, nie tylko generując, ale blokując pakiety fal trojańskich na adiabatycznie zmienionej częstotliwości i rozszerzając atomy, jak kiedyś przewidział Kaliński i Eberly'ego . Pozwoli to na wytworzenie w helu dwóch elektronowych trojana Langmuira poprzez sekwencyjne wzbudzenie w adiabatycznym polu Starka zdolnym do wytworzenia okrągłej jednoelektronowej aureoli nad He ⁺
, a następnie umieszczenia drugiego elektronu w podobnym stanie.

Zobacz też

Dalsza lektura

Książki

Marzec, Raymond E.; Johna FJ Todda (1995). Praktyczne aspekty spektrometrii masowej z pułapką jonową: tom I: Podstawy spektrometrii masowej z pułapką jonową . USA: CRC Press. ISBN 978-0-8493-4452-7 .
Marzec, Raymond E.; Johna F. Todda (2005). Kwadrupolowa spektrometria mas z pułapką jonową (wyd. 2). Wiley, John & Sons, Incorporated. ISBN 978-0-471-48888-0 .

artykuły prasowe

Sirko, L.; Kocha, PM (1995). „Przybliżenie wahadła dla głównego rezonansu kwantowego w okresowo napędzanych atomach wodoru”. Fizyka stosowana B: Lasery i optyka . 60 : S195–S202.
Klar, H. (1989). „Okresowe orbity w wodorze atomowym wystawionym na działanie światła laserowego spolaryzowanego kołowo”. Zeitschrift für Physik D. 11 (1): 45–52. Bibcode : 1989ZPhyD..11...45K . doi : 10.1007/BF01436583 . S2CID 123113349 .
Maeda, H.; Gurian, JH; Gallagher, TF (2009). „Nierozpraszające się pakiety fal Bohra”. Fizyczne listy przeglądowe . 102 (10): 103001–103004. Bibcode : 2009PhRvL.102j3001M . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.103001 . PMID 19392109 .
Stroud, CR, Jr. (2009). „Astronomiczne rozwiązanie starego problemu kwantowego” . Fizyka . 2 : 19. Bibcode : 2009PhyOJ...2...19S . doi : 10.1103/Fizyka.2.19 .

Linki zewnętrzne