Троянский волновой пакет — это волновой пакет, который является нестационарным и нераспространяющимся. Он является частью искусственно созданной системы, состоящей из ядра и одного или нескольких электронных волновых пакетов, и которая сильно возбуждена под действием непрерывного электромагнитного поля. Его открытие как один из значительных вкладов в квантовую теорию было удостоено медали Вигнера 2022 года для Иво Бялыницкого-Бирулы
Сильное поляризованное электромагнитное поле удерживает или «захватывает» каждый электронный волновой пакет на намеренно выбранной орбите (энергетической оболочке). Свои названия они получили от троянских астероидов в системе Солнце-Юпитер. Троянские астероиды вращаются вокруг Солнца на орбите Юпитера в точках 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
Концепция троянского волнового пакета происходит 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. Эта способность напрямую манипулировать квантовыми свойствами является ключом к разработке применимых наноустройств, таких как квантовые точки и микрочиповые ловушки. В 2004 году было показано, что можно создать ловушку, которая на самом деле является одним атомом. Внутри атома можно манипулировать поведением электрона.
В ходе экспериментов 2004 года с использованием атомов лития в возбужденном состоянии исследователям удалось локализовать электрон на классической орбите в течение 15 000 орбит (900 нс). Он не распространялся и не рассеивался. Этот «классический атом» был синтезирован путем «привязывания» электрона с помощью микроволнового поля, с которым его движение синхронизировано по фазе. Синхронизация фаз электронов в этой уникальной атомной системе, как упоминалось выше, аналогична синхронизированным по фазе астероидам орбиты Юпитера.
Методы, исследованные в этом эксперименте, являются решением проблемы, которая восходит к 1926 году. Физики в то время поняли, что любой изначально локализованный волновой пакет неизбежно распространится 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 распространяются по всему пути вокруг орбит и когерентно интерферируют сами с собой. Недавно реальная инновация, реализованная в экспериментах, таких как троянские волновые пакеты, локализует волновые пакеты, т. е. без дисперсии. Применение поляризованного кругового электромагнитного поля на микроволновых частотах, синхронизированного с электронным волновым пакетом, намеренно удерживает электронные волновые пакеты на орбите типа Лагранжа. Эксперименты с троянскими волновыми пакетами основаны на предыдущей работе с атомами лития в возбужденном состоянии. Это атомы, которые чувствительны к электрическим и магнитным полям, имеют относительно длительные периоды распада и электроны, которые фактически работают на классических орбитах. Чувствительность к электрическим и магнитным полям важна, поскольку она позволяет управлять поляризованным микроволновым полем и реагировать на него.
За пределами одиночных электронных волновых пакетов
Следующий логический шаг — попытаться перейти от отдельных электронных волновых пакетов к более чем одному электронному волновому пакету. Это уже было достигнуто в атомах бария с двумя электронными волновыми пакетами. Эти два были локализованы. Однако в конечном итоге они создали дисперсию после столкновения вблизи ядра. Другая техника использовала недисперсионную пару электронов, но один из них должен был иметь локализованную орбиту вблизи ядра. Демонстрация недисперсионных двухэлектронных троянских волновых пакетов меняет все это. Это следующий шаг, аналог одноэлектронных троянских волновых пакетов — и разработан для возбужденных атомов гелия.
По состоянию на июль 2005 года были созданы атомы с когерентными, стабильными двухэлектронными недисперсионными волновыми пакетами. Это возбужденные гелиеподобные атомы или квантовые точки гелия (в твердотельных приложениях), и они являются атомными (квантовыми) аналогами задачи трех тел классической физики Ньютона, которая включает в себя современную астрофизику. В тандеме циркулярно поляризованные электромагнитные и магнитные поля стабилизируют двухэлектронную конфигурацию в атоме гелия или квантовой точке гелия (с примесным центром). Устойчивость сохраняется в широком спектре, и из-за этого конфигурация двухэлектронных волновых пакетов считается действительно недисперсионной. Например, с квантовой точкой гелия, настроенной на ограничение электронов в двух пространственных измерениях, теперь существует множество конфигураций троянских волновых пакетов с двумя электронами, и по состоянию на 2005 год только одна в трех измерениях. В 2012 году был предпринят существенный экспериментальный шаг, не только генерирующий, но и фиксирующий троянские волновые пакеты на адиабатически измененной частоте и расширяющий атомы, как когда-то предсказывали Калински и Эберли. Это позволит
создать два электронных ленгмюровских троянских волновых пакета в гелии путем последовательного возбуждения в адиабатическом поле Штарка,
способных создать круговой одноэлектронный ореол над He+
сначала, а затем перевести второй электрон в аналогичное состояние.
Книги
