Троянский волновой пакет — это нестационарный и нераспространяющийся волновой пакет. 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.
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 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.
Эта способность напрямую манипулировать квантовыми свойствами является ключом к разработке применимых наноустройств, таких как квантовые точки и ловушки на микрочипах. В 2004 году было показано, что можно создать ловушку, которая на самом деле представляет собой один атом. Внутри атома поведением электрона можно манипулировать.
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.
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. В последнее время 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.
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 и реагировать с помощью поляризованного микроволнового поля.
За пределами одноэлектронных волновых пакетов
Следующим логическим шагом является попытка перейти от одиночных электронных волновых пакетов к более чем одному электронному волновому пакету. Это уже было достигнуто в атомах бария с двумя электронными волновыми пакетами. Эти двое были локализованы. Однако в конечном итоге после столкновения вблизи ядра они создали дисперсию. 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.
По состоянию на июль 2005 года были созданы атомы с когерентными стабильными двухэлектронными недиспергирующими волновыми пакетами. Это возбужденные гелиоподобные атомы или гелий в виде квантовых точек (в твердотельных приложениях) и являются атомными (квантовыми) аналогами задачи трех тел классической физики Ньютона, 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). Устойчивость 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. 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. Это позволит
создать в гелии двухэлектронный троянский волновой пакет Ленгмюра путем последовательного возбуждения в адиабатическом штарковском поле
способен создавать круглый одноэлектронный ореол над He+
сначала, а затем поместите второй электрон в аналогичное состояние.
Книги
