Квантовое отражение - это уникальное квантовое явление, при котором компактный объект, такой как нейтрон или небольшая молекула, плавно и волнообразно отражается от гораздо большей поверхности, такой как бассейн с ртутью. Напротив, нейтрон или молекула с классическим поведением будет ударять по той же поверхности, как брошенный шар, ударяясь только в одну точку атомного масштаба, где он либо поглощается, либо рассеивается. Квантовое отражение обеспечивает мощную экспериментальную демонстрацию корпускулярно-волнового дуализма, поскольку именно расширенный квантовый волновой пакет частицы, а не сама частица, отражается от большей поверхности.
Определение
Квантовое отражение стало важным разделом физики 21 века. На семинаре о квантовом отражении [1] было предложено следующее определение квантового отражения:
Квантовое отражение - это классически противоречащее интуиции явление, когда частицы движутся вспять «против силы», действующей на них. Этот эффект проявляет волновую природу частиц и влияет на столкновения ультрахолодных атомов и взаимодействие атомов с твердыми поверхностями.
Наблюдение квантового отражения стало возможным благодаря недавним достижениям в захвате и охлаждении атомов.
Отражение медленных атомов
Хотя принципы квантовой механики применимы к любым частицам, обычно термин «квантовое отражение» означает отражение атомов от поверхности конденсированного вещества (жидкого или твердого). Полный потенциал, испытываемый падающим атомом, действительно становится отталкивающим на очень небольшом расстоянии от поверхности (порядка размера атомов). Это когда атом осознает дискретный характер материала. Это отталкивание отвечает за классическое рассеяние, которое можно ожидать от падающих на поверхность частиц. Такое рассеяние является скорее диффузным , чем зеркальным, поэтому эту составляющую отражения легко различить. Действительно, чтобы уменьшить эту часть физического процесса, используется скользящий угол падения; это усиливает квантовое отражение. Это требование малых скоростей падающих частиц означает, что нерелятивистское приближение квантовой механики - это все, что требуется.
Одномерное приближение
До сих пор обычно рассматривался одномерный случай этого явления, то есть когда потенциал имеет трансляционную симметрию в двух направлениях (скажем, а также ), такая, что только одна координата (скажем, ) это важно. В этом случае можно исследовать зеркальное отражение медленного нейтрального атома от поверхности твердого тела. [2] [3] Если у человека есть атом в области свободного пространства, близкой к материалу, способному поляризоваться, комбинация чистого ван-дер-ваальсова взаимодействия и связанного с ним взаимодействия Казимира-Полдера притягивает атом к поверхности материал. Последняя сила преобладает, когда атом находится сравнительно далеко от поверхности, а первая - когда атом приближается к поверхности. Промежуточная область является спорной, поскольку она зависит от конкретной природы и квантового состояния падающего атома.
Условие возникновения отражения, когда атом испытывает потенциал притяжения, может быть задано наличием областей пространства, в которых приближение ВКБ к волновой функции атома не работает. Если в соответствии с этим приближением мы запишем длину волны грубого движения атомной системы к поверхности как величину, локальную для каждой области вдоль ось,
где это атомная масса, это его энергия, и это потенциал, который он испытывает, то ясно, что мы не можем придать значение этой величине, где,
То есть в областях пространства, где изменение длины волны атома является значительным по его собственной длине (т. Е. Градиент круто), в приближении локальной длины волны смысла нет. Этот пробой происходит независимо от знака потенциала ,. В таких областях часть волновой функции падающего атома может отражаться. Такое отражение может происходить для медленных атомов, испытывающих сравнительно быстрое изменение потенциала Ван-дер-Ваальса вблизи поверхности материала. Это тот же тип явления, который происходит, когда свет проходит от материала с одним показателем преломления к другому с существенно другим показателем в небольшой области пространства. Независимо от знака разницы в индексе, будет отраженная составляющая света от границы раздела. Действительно, квантовое отражение от поверхности твердотельной пластины позволяет с высокой точностью сделать квантово-оптический аналог зеркала - атомное зеркало .
Эксперименты со скользящим падением
Практически во многих экспериментах с квантовым отражением от Si используется скользящий угол падения (рисунок A). Установка установлена в вакуумной камере, чтобы обеспечить свободный от атомов путь длиной несколько метров; хороший вакуум (на уровне 10-7 Торр или130 мкПа ). Магнито-оптическая ловушка (MOT) используются для сбора холодных атомов, как правило , возбуждается Он или Ne, приближаясь к точечному источнику атомов. Возбуждение атомов не является существенным для квантового отражения, но позволяет эффективно улавливать и охлаждать с помощью оптических частот. Кроме того, возбуждение атомов позволяет регистрировать на детекторе микроканальной пластинки (MCP) (внизу рисунка). Подвижные края используются для остановки атомов, которые не направляются к образцу (например, пластина Si), обеспечивая коллимированный атомный пучок . Гелий-неоновый лазер был использован для контроля ориентации образца и измеряет угол скольжения . На МКП наблюдалась относительно интенсивная полоса атомов, которые выходили прямо (без отражения) от МОЛ , минуя образец, сильная тень от образца (толщину этой тени можно было использовать для грубого контроля угла скольжения ) и относительно слабая полоса, образованная отраженными атомами. СоотношениеОт плотности атомов, зарегистрированных в центре этой полосы, до плотности атомов в непосредственно освещенной области рассматривалось как эффективность квантового отражения, т. е. отражательная способность. Эта отражательная способность сильно зависит от угла скольжения и скорости атомов.
В экспериментах с атомами Ne обычно просто падают, когда МОЛ внезапно выключается. Тогда скорость атомов определяется как, где это ускорение свободного падения , и- расстояние от МОЛ до образца. В описанных экспериментах это расстояние составляло порядка 0,5 метра (2 фута), обеспечивая скорость порядка 3 м / с (6,7 миль / ч; 11 км / ч). Тогда поперечное волновое число можно рассчитать как, где масса атома, а - постоянная Планка .
В случае с He можно было бы использовать дополнительный резонансный лазер для высвобождения атомов и обеспечения им дополнительной скорости; задержка с момента выхода атомов до регистрации позволила оценить эту дополнительную скорость; грубо,, где - время задержки с момента выброса атомов до щелчка на детекторе. Практически,может варьироваться от 20 до 130 м / с (от 45 до 291 миль / ч; от 72 до 468 км / ч). [4] [5] [6]
Хотя схема на рисунке выглядит простой, необходимо дополнительное оборудование, чтобы замедлить атомы, улавливать их и охлаждать до температуры милликельвина, обеспечивая источник холодных атомов микрометрового размера. Практически установка и обслуживание этой установки (на рисунке не показана) - самая тяжелая работа в экспериментах с квантовым отражением холодных атомов. В литературе обсуждается возможность эксперимента с квантовым отражением только с точечным отверстием вместо МОЛ . [6]
Казимир и ван дер Ваальс аттракцион
Несмотря на это, есть некоторые сомнения относительно физического происхождения квантового отражения от твердых поверхностей. Как было кратко упомянуто выше, потенциал в промежуточной области между областями, в которых доминируют взаимодействия Казимира-Полдера и Ван-дер-Ваальса, требует явного квантово-электродинамического расчета для конкретного состояния и типа атома, падающего на поверхность. Такой расчет очень сложен. В самом деле, нет никаких оснований предполагать, что этот потенциал привлекателен исключительно в промежуточной области. Таким образом, отражение можно было бы просто объяснить силой отталкивания, что сделало бы это явление не таким уж удивительным. Кроме того, аналогичная зависимость отражательной способности от падающей скорости наблюдается в случае поглощения частиц вблизи поверхности. В простейшем случае такое поглощение можно описать неэрмитовым потенциалом (т. Е. Потенциалом, в котором вероятность не сохраняется). До 2006 г. в опубликованных статьях отражение интерпретировалось с точки зрения эрмитовского потенциала; [7] это предположение позволяет построить количественную теорию. [8]
Эффективное квантовое отражение
Качественная оценка эффективности квантового отражения может быть сделана с помощью анализа размерностей. Сдача быть массой атома и нормальная составляющая его волнового вектора, затем энергия нормального движения частицы,
нужно сравнивать с потенциалом, взаимодействия. Расстояние, на котором можно рассматривать как расстояние, на котором атом встретит неприятный разрыв в потенциале. Это момент, когда метод ВКБ действительно становится бессмысленным. Условие эффективного квантового отражения можно записать как. Другими словами, длина волны мала по сравнению с расстоянием, на котором атом может отразиться от поверхности. Если это условие выполняется, указанным выше эффектом дискретности поверхности можно пренебречь. Этот аргумент дает простую оценку отражательной способности,,
что показывает хорошее согласие с экспериментальными данными для возбужденных атомов неона и гелия, отраженных от плоской поверхности кремния (рис.1), см. [6] и ссылки в ней. Такая аппроксимация также хорошо согласуется с одномерным анализом рассеяния атомов на притягивающем потенциале. [9] Такое согласие указывает на то, что, по крайней мере, в случае благородных газов и поверхности Si, квантовое отражение можно описать одномерным эрмитовым потенциалом, как результат притяжения атомов к поверхности.
Зеркало рифленое
Эффект квантового отражения можно усилить, используя ребристые зеркала . [10] Если создается поверхность, состоящая из набора узких выступов, то возникающая неоднородность материала позволяет уменьшить эффективную постоянную Ван-дер-Ваальса; это расширяет рабочий диапазон угла скольжения. Чтобы это сокращение было справедливым, мы должны иметь небольшие расстояния,между гребнями. Гдестановится большим, неоднородность такова, что ребристое зеркало следует интерпретировать в терминах множественной дифракции Френеля [4] или эффекта Зенона ; [5] эти интерпретации дают аналогичные оценки отражательной способности. [11] Подробнее см. Ребристое зеркало .
Подобное усиление квантового отражения имеет место, когда частицы падают на массив столбов. [12] Это наблюдалось с очень медленными атомами ( конденсат Бозе – Эйнштейна ) при почти нормальном падении.
Применение квантового отражения
Квантовое отражение делает возможной идею твердотельных атомных зеркал и систем визуализации атомных пучков ( атомный наноскоп ). [6] Также было предложено использование квантового отражения для создания атомных ловушек . [9] До 2007 года о коммерческом применении квантового отражения не сообщалось.
Рекомендации
- ^ Quantum Reflection, мастерская; 22–24 октября 2007 г., Кембридж, Массачусетс, США; http://cfa-www.harvard.edu/itamp/QuantumReflection.html
- ^ F.Shimizu (2001). «Зеркальное отражение очень медленных метастабильных атомов неона от твердой поверхности» . Письма с физическим обзором . 86 (6): 987–990. Bibcode : 2001PhRvL..86..987S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.86.987 . PMID 11177991 .
- ^ Х. Оберст; Ю.Таширо; К. Шимидзу; Ф. Шимицу (2005). «Квантовое отражение He * на кремнии». Physical Review . 71 (5): 052901. Bibcode : 2005PhRvA..71e2901O . DOI : 10.1103 / PhysRevA.71.052901 .
- ^ а б Х. Оберст; Д.Кузнецов; К. Шимидзу; Дж. Фуджита; Ф. Шимицу (2005). "Дифракционное зеркало Френеля для атомной волны". Письма с физическим обзором . 94 (1): 013203. Bibcode : 2005PhRvL..94a3203O . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.94.013203 . hdl : 2241/104208 . PMID 15698079 .
- ^ а б Д.Кузнецов; Х. Оберст (2005). «Отражение волн от выступающей поверхности и эффект Зенона». Оптический обзор . 12 (5): 1605–1623. Bibcode : 2005OptRv..12..363K . DOI : 10.1007 / s10043-005-0363-9 .
- ^ а б в г Д. Кузнецов; Х. Оберст; К. Симидзу; А. Нойман; Ю. Кузнецова; Ж.-Ф. Биссон; К. Уэда; SRJ Brueck (2006). «Ребристые атомные зеркала и атомный наноскоп». Журнал Physics B . 39 (7): 1605–1623. Bibcode : 2006JPhB ... 39.1605K . CiteSeerX 10.1.1.172.7872 . DOI : 10.1088 / 0953-4075 / 39/7/005 .
- ^ Х. Фридрих; Дж. Якоби, CGMeister (2002). «Квантовое отражение от потенциальных хвостов Казимира – Ван-дер-Ваальса». Physical Review . 65 (3): 032902. Bibcode : 2002PhRvA..65c2902F . DOI : 10.1103 / PhysRevA.65.032902 .
- ^ Ф. Арнеке; Х. Фридрих, Х. Мадроньеро (2006). «Теория эффективных расстояний для квантовых амплитуд отражения». Physical Review . 74 (6): 062702. Bibcode : 2006PhRvA..74f2702A . DOI : 10.1103 / PhysRevA.74.062702 .
- ^ а б Х. Мадроньеро; Х. Фридрих (2007). «Влияние реалистичных потенциалов атомной стенки в квантовых отражательных ловушках». Physical Review . 75 (2): 022902. Bibcode : 2007PhRvA..75b2902M . DOI : 10.1103 / PhysRevA.75.022902 .
- ^ Ф. Шимицу; Дж. Фуджита (2002). «Гигантское квантовое отражение атомов неона от ребристой поверхности кремния». Журнал Физического общества Японии . 71 (1): 5–8. arXiv : физика / 0111115 . Bibcode : 2002JPSJ ... 71 .... 5S . DOI : 10.1143 / JPSJ.71.5 .
- ^ Д.Кузнецов; Х. Оберст (2005). «Рассеяние волн на ребристых зеркалах» (PDF) . Physical Review . 72 (1): 013617. Bibcode : 2005PhRvA..72a3617K . DOI : 10.1103 / PhysRevA.72.013617 .
- ^ Т.А. Паскини; М. Саба; Г.-Б. Джо; Ю. Шин; В. Кеттерле; DE Pritchard; Т.А. Савас; Н. Малдерс. (2006). «Низкоскоростное квантовое отражение конденсата Бозе-Эйнштейна». Письма с физическим обзором . 97 (9): 093201. arXiv : cond-mat / 0603463 . Bibcode : 2006PhRvL..97i3201P . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.97.093201 . PMID 17026359 .
Смотрите также
- Атомная оптика
- Зеркало рифленое
- Сила Казимира
- потенциал Ван-дер-Ваальса