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特洛伊波包

一月 08, 2024

特洛伊波包（英語：trojan wave packet ）是非穩態且不擴散的波包 ，屬於由原子核和一個或多個電子波包所組成的人造系统，受到连续电磁场高度激发。

特洛伊波包的演化动画
1982年，在家用微電腦ZX Spectrum上運行了特洛伊波包的經典模擬。该波包最初是以隨機分佈在高斯函數峰值內的點集合來近似，並根據牛顿方程進行運動，而這個集合會維持在局部。為了方便比較，後面進行了第二個模擬，當圓偏振電場(旋轉)的強度等於零時，波包(這些點)會完全在圓周上擴散開來。

强烈的偏振电磁场會将电子波包控制住，或是說將其“捕获”在特意选择的轨道（能量殼層）中。[1][2] 波包名稱源自太阳–木星系统中的特洛伊小行星 。[3] 特洛伊小行星位於木星轨道上的拉格朗日平衡点L4和L5，围绕著太阳运行。它们在此處相位鎖定，避免相互碰撞，而特洛伊波包的結合方式就類似於這種現象。

概念与研究 编辑

特洛伊波包的概念源自蓬勃发展的物理学领域，物理领域已經可以做到在原子層級上操纵原子和离子，造出可以控制原子的离子阱，進而使用離子阱來创造新的物質形態，包括离子液体、維格納晶體（英语：Wigner crystal）和玻色-爱因斯坦凝聚 。[4] 控制量子特性的能力是在现实生活中發展奈米元件（例如量子点和微晶片阱）應用的直接關鍵。2004年研究表明，造出一個實際上是單原子的阱，並操縱原子內部電子的行為是有可能的。 [5]

在2004年使用激發態鋰原子進行的實驗中，研究人員能夠將單顆電子定位在15000個軌道（900 ns）中的其中一個軌道上，既不會擴散，也不會色散。這種「經典原子」是透過微波場來合成的，藉由 "拴住 "電子，使其運動被相位鎖定在微波場內。這種獨特原子系統中的電子相位鎖定，就類似於上面所堤到的木星軌道的小行星相位鎖定。[6]

這個實驗所探討的技術是對一個早期問題的解決方案，這問題可追溯到1926年。當時的物理學家意識到，任何初始的局部波包都將不可避免地擴散到整個電子軌道，物理學家注意到「原子庫侖位能的波方程會產生色散」。到了1980年代，幾組研究人員證明了這一點。波包會在軌道上一路擴散開來，並與自己發生相干性干涉。近期透過諸如特洛伊波包等實驗所實現的創新是將波包局部化，亦即沒有發生擴散。該創新是應用了圓偏振電磁場，在微波頻率下與電子波包同步，故意讓電子波包保持在拉格朗日型軌道上。[7] [8]特洛伊波包實驗是建立在之前激發態鋰原子實驗的工作基礎上，實驗的原子對電場和磁場反應靈敏，衰變周期相對較長，而電子則出於各種意圖和目標，確實運行在經典軌道上。由於偏振微波場可以用來進行控制和響應，因此對電場和磁場的敏感度相當重要。[9]

超越单电子波包 编辑

 
在物理学中， 作為一個單位傳播的波動作，波包指的是「單脈衝串」（burst）或「包络」（envelope）。 我們可以将波包分析成无穷多个不同波数的 正弦波，或者藉由這些正弦波合成出波包，这些正弦波的相位和振幅仅在很小的空间区域内产生建設性干涉，在其他地方则是破坏性干涉。 [10]

下一個合乎邏輯的步驟是嘗試從單電子波包進展到多電子波包 。而雙電子波包已經在钡原子中完成這兩個電子波包都是局域化的。但是它們最終在原子核附近碰撞，進而產生色散 。另一種技術採用了一對非色散電子，但其中一顆電子的軌道必須局部化且靠近原子核。這種非色散型雙電子特洛伊波包的演示改變了現況，而這些是單電子特洛伊波包的下一階段類比，專為類比激發氦原子而設計。[11] [12]

到2005年7月，帶有具相干性、稳定性的非色散型雙電子波包的原子已经被實作了出來。 它们可以是處於激发態的类氦原子或量子点氦（在固态应用中），也可以在原子（量子）尺度上類比於牛顿经典物理学的三体问题。同时，圆偏振电磁场和磁场使在氦原子（英语：Helium atom）或量子点氦（带有杂质中心）的雙电子組態能夠穩定，且在廣闊的電磁波譜內都能維持稳定。因此，這種雙電子波包的組態被認為是真正的非色散性，比如，配置在受到束縛的二維空間量子点氦的電子。現今已經有了各式各樣的雙電子的特洛伊波包組態，而截至2005年，只有一個三維空間的配置。 [13] 在2012年進行了一项重要的实验步骤，不仅以绝热变化的频率生成并锁定特洛伊波包，也按照Kalinski和Eberly的预测對原子進行擴張。 [14]透過在絕熱斯塔克場（adiabatic Stark field）中的連續激發，可以在氦中产生雙电子朗繆爾特洛伊波包，先是在He+
上首次产生圆形单电子环，接著再將第二個電子置於類似的狀態 。[15]

參見 编辑

  • 原子轨道
  • 芮得柏態（英语：Rydberg state）
  • 孤波
  • 量子疤痕（英语：Quantum scar）

参考文献 编辑

  1. ^ Bialynicka-Birula, Zofia; Bialynicki-Birula, Iwo. Radiative decay of Trojan wave packets (PDF). Physical Review A. 1997, 56 (5): 3623 [2020-07-15]. Bibcode:1997PhRvA..56.3623B. doi:10.1103/PhysRevA.56.3623. （原始内容 (PDF)于2017-08-09）. 
  2. ^ Kalinski, Maciej; Eberly, JH. Trojan wave packets: Mathieu theory and generation from circular states. Physical Review A. 1996, 53 (3): 1715–1724. Bibcode:1996PhRvA..53.1715K. PMID 9913064. doi:10.1103/PhysRevA.53.1715. 
  3. ^ Kochański, Piotr; Bialynicka-Birula, Zofia; Bialynicki-Birula, Iwo. Squeezing of electromagnetic field in a cavity by electrons in Trojan states. Physical Review A. 2000, 63 (1): 013811. Bibcode:2001PhRvA..63a3811K. arXiv:quant-ph/0007033v1  . doi:10.1103/PhysRevA.63.013811. 
  4. ^ Andrews, M. R.; C. G. Townsend; H.-J. Miesner; D. S. Durfee; D. M. Kurn; W. Ketterle. Observation of Interference Between Two Bose Condensates. Science. 1997, 275 (5300): 637–641. Bibcode:10.1.1.38.8970 请检查|bibcode=值 (帮助). PMID 9005843. doi:10.1126/science.275.5300.637. 
  5. ^ Maeda, H. & Gallagher, T. F. Nondispersing Wave Packets. Phys. Rev. Lett. 2004, 92 (13): 133004. Bibcode:2004PhRvL..92m3004M. PMID 15089602. doi:10.1103/PhysRevLett.92.133004. 
  6. ^ Maeda, H.; D. V. L. Norum; T. F. Gallagher. Microwave Manipulation of an Atomic Electron in a Classical Orbit. Science. 2005, 307 (5716): 1757–1760. Bibcode:2005Sci...307.1757M. PMID 15705805. doi:10.1126/science.1108470. Originally published in Science Express on 10 February 2005
  7. ^ Stroud, C. R. Jr. An astronomical solution to an old quantum problem. Physics. 2009, 2 (19): 19 [2020-07-15]. Bibcode:2009PhyOJ...2...19S. doi:10.1103/Physics.2.19. （原始内容于2016-04-08）.  无效|subscription=free (帮助)
  8. ^ Murray, C. D.; Dermot, S. F. Solar System Dynamics. Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press. 2000 [2020-07-15]. ISBN 978-0-521-57597-3. （原始内容于2020-09-20）. 
  9. ^ Metcalf Research Group. . Stoney Brook University. 2004-11-08 [2008-07-30]. （原始内容存档于August 26, 2005）. 
  10. ^ Joy Manners. Quantum Physics: An Introduction. CRC Press. 2000: 53–56 [2020-07-15]. ISBN 978-0-7503-0720-8. （原始内容于2021-04-07）. 
  11. ^ Brodsky, M.; Zhitenev, NB; Ashoori, RC; Pfeiffer, LN; West, KW. Localization in Artificial Disorder: Two Coupled Quantum Dots. Physical Review Letters. 2000, 85 (11): 2356–9. Bibcode:2000PhRvL..85.2356B. PMID 10978009. arXiv:cond-mat/0001455  . doi:10.1103/PhysRevLett.85.2356. 
  12. ^ Berman, D.; Zhitenev, N.; Ashoori, R.; Shayegan, M. Observation of Quantum Fluctuations of Charge on a Quantum Dot. Physical Review Letters. 1999, 82 (1): 161–164. Bibcode:1999PhRvL..82..161B. arXiv:cond-mat/9803373  . doi:10.1103/PhysRevLett.82.161. 
  13. ^ Kalinski, Matt; Hansen, Loren; David, Farrelly. Nondispersive Two-Electron Wave Packets in a Helium Atom. Physical Review Letters. 2005, 95 (10): 103001. Bibcode:2005PhRvL..95j3001K. PMID 16196925. doi:10.1103/PhysRevLett.95.103001. 
  14. ^ Kalinski, M.; Eberly, J. Guiding electron orbits with chirped light. Optics Express. 1997, 1 (7): 216–20. Bibcode:1997OExpr...1..216K. PMID 19373404. doi:10.1364/OE.1.000216. 
  15. ^ Wyker, B.; Ye, S.; Dunning, F. B.; Yoshida, S.; Reinhold, C.O.; Burgdörfer, J. Creating and Transporting Trojan Wave Packets (PDF). Physical Review Letters. 2012, 108 (4): 043001. Bibcode:2012PhRvL.108d3001W. PMID 22400833. doi:10.1103/PhysRevLett.108.043001. 

进一步阅读 编辑

图书 编辑

  • March, Raymond E.; John F. J. Todd. Practical Aspects of Ion Trap Mass Spectrometry : Volume I: Fundamentals of Ion Trap Mass Spectrometry. USA: CRC Press. 1995. ISBN 978-0-8493-4452-7. 
  • March, Raymond E.; John F. Todd. Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometry 2. Wiley, John & Sons, Incorporated. 2005 [2020-07-15]. ISBN 978-0-471-48888-0. （原始内容于2020-08-09）. 

期刊文章 编辑

  • Sirko, L.; Koch, P. M. The pendulum approximation for the main quantal resonance in periodically driven Hydrogen atoms. Applied Physics B: Lasers and Optics. 1995, 60: S195–S202. 
  • Klar, H. Periodic orbits in atomic hydrogen exposed to circularly polarised laser light. Zeitschrift für Physik D. 1989, 11 (1): 45–52. Bibcode:1989ZPhyD..11...45K. doi:10.1007/BF01436583. 
  • Maeda, H.; Gurian, J. H.; Gallagher, T. F. Nondispersing Bohr Wave Packets. Physical Review Letters. 2009, 102 (10): 103001–103004. Bibcode:2009PhRvL.102j3001M. doi:10.1103/PhysRevLett.102.103001. 
  • Stroud, C. R., Jr. An astronomical solution to an old quantum problem. Physics. 2009, 2: 19. Bibcode:2009PhyOJ...2...19S. doi:10.1103/Physics.2.19.  无效|subscription=free (帮助)

外部链接 编辑

  • Aharonov-Bohm Oscillations In "Trojan Electrons" （页面存档备份，存于互联网档案馆）

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一月 08, 2024
特洛伊波包, 英語, trojan, wave, packet, 是非穩態且不擴散的波包, 屬於由原子核和一個或多個電子波包所組成的人造系统, 受到连续电磁场高度激发, 的演化动画1982年, 在家用微電腦zx, spectrum上運行了的經典模擬, 该波包最初是以隨機分佈在高斯函數峰值內的點集合來近似, 並根據牛顿方程進行運動, 而這個集合會維持在局部, 為了方便比較, 後面進行了第二個模擬, 當圓偏振電場, 旋轉, 的強度等於零時, 波包, 這些點, 會完全在圓周上擴散開來, 强烈的偏振电磁场會将电子波包控制住. 特洛伊波包 英語 trojan wave packet 是非穩態且不擴散的波包 屬於由原子核和一個或多個電子波包所組成的人造系统 受到连续电磁场高度激发 特洛伊波包的演化动画1982年 在家用微電腦ZX Spectrum上運行了特洛伊波包的經典模擬 该波包最初是以隨機分佈在高斯函數峰值內的點集合來近似 並根據牛顿方程進行運動 而這個集合會維持在局部 為了方便比較 後面進行了第二個模擬 當圓偏振電場 旋轉 的強度等於零時 波包 這些點 會完全在圓周上擴散開來 强烈的偏振电磁场會将电子波包控制住 或是說將其 捕获 在特意选择的轨道 能量殼層 中 1 2 波包名稱源自太阳 木星系统中的特洛伊小行星 3 特洛伊小行星位於木星轨道上的拉格朗日平衡点L4和L5 围绕著太阳运行 它们在此處相位鎖定 避免相互碰撞 而特洛伊波包的結合方式就類似於這種現象 目录 1 概念与研究 1 1 超越单电子波包 2 參見 3 参考文献 4 进一步阅读 4 1 图书 4 2 期刊文章 5 外部链接概念与研究 编辑特洛伊波包的概念源自蓬勃发展的物理学领域 物理领域已經可以做到在原子層級上操纵原子和离子 造出可以控制原子的离子阱 進而使用離子阱來创造新的物質形態 包括离子液体 維格納晶體 英语 Wigner crystal 和玻色 爱因斯坦凝聚 4 控制量子特性的能力是在现实生活中發展奈米元件 例如量子点和微晶片阱 應用的直接關鍵 2004年研究表明 造出一個實際上是單原子的阱 並操縱原子內部電子的行為是有可能的 5 在2004年使用激發態鋰原子進行的實驗中 研究人員能夠將單顆電子定位在15000個軌道 900 ns 中的其中一個軌道上 既不會擴散 也不會色散 這種 經典原子 是透過微波場來合成的 藉由 拴住 電子 使其運動被相位鎖定在微波場內 這種獨特原子系統中的電子相位鎖定 就類似於上面所堤到的木星軌道的小行星相位鎖定 6 這個實驗所探討的技術是對一個早期問題的解決方案 這問題可追溯到1926年 當時的物理學家意識到 任何初始的局部波包都將不可避免地擴散到整個電子軌道 物理學家注意到 原子庫侖位能的波方程會產生色散 到了1980年代 幾組研究人員證明了這一點 波包會在軌道上一路擴散開來 並與自己發生相干性干涉 近期透過諸如特洛伊波包等實驗所實現的創新是將波包局部化 亦即沒有發生擴散 該創新是應用了圓偏振電磁場 在微波頻率下與電子波包同步 故意讓電子波包保持在拉格朗日型軌道上 7 8 特洛伊波包實驗是建立在之前激發態鋰原子實驗的工作基礎上 實驗的原子對電場和磁場反應靈敏 衰變周期相對較長 而電子則出於各種意圖和目標 確實運行在經典軌道上 由於偏振微波場可以用來進行控制和響應 因此對電場和磁場的敏感度相當重要 9 超越单电子波包 编辑 nbsp 在物理学中 作為一個單位傳播的波動作 波包指的是 單脈衝串 burst 或 包络 envelope 我們可以将波包分析成无穷多个不同波数的 正弦波 或者藉由這些正弦波合成出波包 这些正弦波的相位和振幅仅在很小的空间区域内产生建設性干涉 在其他地方则是破坏性干涉 10 下一個合乎邏輯的步驟是嘗試從單電子波包進展到多電子波包 而雙電子波包已經在钡原子中完成這兩個電子波包都是局域化的 但是它們最終在原子核附近碰撞 進而產生色散 另一種技術採用了一對非色散電子 但其中一顆電子的軌道必須局部化且靠近原子核 這種非色散型雙電子特洛伊波包的演示改變了現況 而這些是單電子特洛伊波包的下一階段類比 專為類比激發氦原子而設計 11 12 到2005年7月 帶有具相干性 稳定性的非色散型雙電子波包的原子已经被實作了出來 它们可以是處於激发態的类氦原子或量子点氦 在固态应用中 也可以在原子 量子 尺度上類比於牛顿经典物理学的三体问题 同时 圆偏振电磁场和磁场使在氦原子 英语 Helium atom 或量子点氦 带有杂质中心 的雙电子組態能夠穩定 且在廣闊的電磁波譜內都能維持稳定 因此 這種雙電子波包的組態被認為是真正的非色散性 比如 配置在受到束縛的二維空間量子点氦的電子 現今已經有了各式各樣的雙電子的特洛伊波包組態 而截至2005年 只有一個三維空間的配置 13 在2012年進行了一项重要的实验步骤 不仅以绝热变化的频率生成并锁定特洛伊波包 也按照Kalinski和Eberly的预测對原子進行擴張 14 透過在絕熱斯塔克場 adiabatic Stark field 中的連續激發 可以在氦中产生雙电子朗繆爾特洛伊波包 先是在He 上首次产生圆形单电子环 接著再將第二個電子置於類似的狀態 15 參見 编辑原子轨道 芮得柏態 英语 Rydberg state 孤波 量子疤痕 英语 Quantum scar 参考文献 编辑 Bialynicka Birula Zofia Bialynicki Birula Iwo Radiative decay of Trojan wave packets PDF Physical Review A 1997 56 5 3623 2020 07 15 Bibcode 1997PhRvA 56 3623B doi 10 1103 PhysRevA 56 3623 原始内容存档 PDF 于2017 08 09 Kalinski Maciej Eberly JH Trojan wave packets Mathieu theory and generation from circular states Physical Review A 1996 53 3 1715 1724 Bibcode 1996PhRvA 53 1715K PMID 9913064 doi 10 1103 PhysRevA 53 1715 Kochanski Piotr Bialynicka Birula Zofia Bialynicki Birula Iwo Squeezing of electromagnetic field in a cavity by electrons in Trojan states Physical Review A 2000 63 1 013811 Bibcode 2001PhRvA 63a3811K arXiv quant ph 0007033v1 nbsp doi 10 1103 PhysRevA 63 013811 Andrews M R C G Townsend H J Miesner D S Durfee D M Kurn W Ketterle Observation of Interference Between Two Bose Condensates Science 1997 275 5300 637 641 Bibcode 10 1 1 38 8970 请检查 bibcode 值 帮助 PMID 9005843 doi 10 1126 science 275 5300 637 Maeda H amp Gallagher T F Nondispersing Wave Packets Phys Rev Lett 2004 92 13 133004 Bibcode 2004PhRvL 92m3004M PMID 15089602 doi 10 1103 PhysRevLett 92 133004 Maeda H D V L Norum T F Gallagher Microwave Manipulation of an Atomic Electron in a Classical Orbit Science 2005 307 5716 1757 1760 Bibcode 2005Sci 307 1757M PMID 15705805 doi 10 1126 science 1108470 Originally published in Science Express on 10 February 2005 Stroud C R Jr An astronomical solution to an old quantum problem Physics 2009 2 19 19 2020 07 15 Bibcode 2009PhyOJ 2 19S doi 10 1103 Physics 2 19 原始内容存档于2016 04 08 无效 subscription free 帮助 Murray C D Dermot S F Solar System Dynamics Cambridge United Kingdom Cambridge University Press 2000 2020 07 15 ISBN 978 0 521 57597 3 原始内容存档于2020 09 20 Metcalf Research Group Rydberg Atom Optics Stoney Brook 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