Aharonov - Bohmov efekat

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu
Mezoskopska fizika
Vidi također: Portal: Fizika

Aharonov - Bohmov efekat (inače Ehrenberg - Sidai - Aharonov - Bohmov efekat ) je kvantni fenomen u kojem elektromagnetno polje djeluje na česticu s električnim nabojem ili magnetnim momentom čak i u onim područjima gdje su jačina električnog polja E i magnetsko polje indukcija B jednaka je nuli [1] , ali skalarni i/ili vektorski potencijali elektromagnetnog polja nisu jednaki nuli (tj. ako elektromagnetski potencijal nije jednak nuli).

Najraniji oblik ovog efekta predvidjeli su Ehrenberg i Sidai 1949. [2] , sličan efekat su kasnije ponovo predvidjeli Aharonov i Bohm 1959. [3] .

Eksperimentiraj

Šema za objašnjenje Aharonov - Bohmovog efekta. Eksperiment sa dvostrukim prorezom sa solenoidom sa magnetnim poljem B.

Efekat se uočava za magnetno polje i električno polje, ali je efekat magnetnog polja lakše detektovati, pa je efekat za njega prvi put zabeležen1960. godine [4] . Ovi eksperimentalni podaci su, međutim, kritikovani, jer u sprovedenim merenjima nije bilo moguće u potpunosti stvoriti uslove pod kojima elektron uopšte ne bi prošao kroz oblasti sa jačinom magnetnog polja različitom od nule.

Sve sumnje u postojanje efekta u eksperimentima otklonjene su nakon što su eksperimenti izvedeni1986. godine korištenjem supravodljivih materijala koji u potpunosti ekraniziraju magnetsko polje (u smislu ekraniranja njegovog indukcijskog vektora) [5] .

Tumačenja i tumačenja

Suština Aharonov-Bohmovih efekata može se preformulisati na način da konvencionalni za klasičnu elektrodinamiku [6] koncept lokalnog djelovanja jačine [7] elektromagnetnog polja na česticu nije dovoljan za predviđanje kvantne mehaničko ponašanje čestice - u stvari, pokazalo se da je to neophodno, ako polazimo od jačine, znati jačinu polja u cijelom prostoru. [8] (Ako su E ili B različiti od nule barem u nekom području prostora gdje nabijena čestica ne može doći (kvantna vjerovatnoća da će tamo stići je nestajuća mala), ipak, takvo polje može primjetno utjecati na kvantno ponašanje takve čestice - odnosno vjerovatnoća da čestica udari na različita mjesta u području prostora koji joj je dostupan, difrakcijski obrazac, uključujući položaj difrakcionog maksimuma, itd.).

Međutim, kroz elektromagnetski potencijal, teorija efekta se gradi prirodno i lokalno. [ izvor nije naveden 2045 dana ]

Aharonov - Bohmov efekat se može tumačiti kao dokaz da potencijali elektromagnetnog polja nisu samo matematička apstrakcija korisna za izračunavanje intenziteta, već, u principu, nezavisno uočljive [9] veličine, koje stoga imaju nesumnjivo i direktno fizičko značenje.

Potencijali i karakteristike snage

Klasična fizika se zasniva na konceptu sile, a jačina električnog polja E , kao i vektor magnetne indukcije B , u suštini su „karakteristike snage“ elektromagnetnog polja: mogu se koristiti za najdirektnije i direktno izračunavanje sile koja djeluje na nabijenu česticu (u stvari, recimo, E je samo sila koja djeluje na jedno stacionarno naelektrisanje).

U okviru specijalne teorije relativnosti, ovaj koncept nije doživio radikalne promjene. Sila iz Newtonove jednadžbe nije 4-vektor , zbog čega u ovoj teoriji proračuni i formulacije koje koriste koncept sile pomalo gube svoju izvornu njutnovsku jednostavnost i ljepotu (i stoga se uvlače neke sumnje u njihovu fundamentalnu prirodu). ( E i B također nisu 4-vektori, ali to ne dovodi do potpune zamjene koncepata elektromagnetnog polja, jer se za njih nalazi prilično jasna i lijepa 4-dimenzionalna generalizacija - tenzor elektromagnetskog polja (komponente Pokazalo se da su E i B njegove komponente), na mnogo načina, omogućava vam da zapišete jednadžbe elektrodinamike još kompaktnije i ljepše od E i B odvojeno, a da pritom ostanete u značenju iste jačine polja).

U kvantnoj mehanici, čestica je predstavljena kao val (što, općenito govoreći, nije lokalizirana u nekoj tački u prostoru ili čak u maloj blizini točke), stoga se, u principu, ispostavlja prilično teškim opisati njegovu interakciju s bilo čim (na primjer, s elektromagnetnim poljem) u terminima sile (na kraju krajeva, klasični koncept sile ili polja sila podrazumijeva da djelovanje na česticu - koja je u klasicima nalik na tačku - također se dešava u jednoj tački u prostoru i prirodno je generalizovati ovaj pristup na kvantni slučaj delokalizovane čestice nije lako). Stoga se u kvantnoj mehanici radije bave potencijalnom energijom i potencijalima.

Prilikom formulisanja elektrodinamike, teorija, u principu, može izabrati za glavne vrijednosti napetosti E i B , ili potencijale φ i A. Zajedno, φ i A čine 4-vektor ( φ je nulta komponenta, A su ostale tri komponente) - elektromagnetski potencijal ( 4-potencijal ). Međutim, to nije jednoznačno definirano, budući da se ovom 4-vektoru uvijek može dodati neki 4-vektorski sabirak (tzv. gauge transformation ), a polja E i B se ne mijenjaju (ovo je jedna od manifestacija kalibracije). invarijantnost ). Dugo vremena su se fizičari pitali da li je polje elektromagnetnog potencijala fundamentalno, čak i ako se ne može jednoznačno odrediti, ili je njegovo pojavljivanje u teoriji samo zgodan formalni matematički trik.

Prema Aharonov-Bohmovom efektu, promjenom elektromagnetnog potencijala, mogu se promijeniti direktno mjerljive veličine - propuštanjem elektrona kroz područja prostora u kojima polja E i B potpuno odsutna (imaju nulte vrijednosti), ali je elektromagnetski potencijal različit od nule. : promjene elektromagnetskog potencijala mijenjaju direktno posmatranu sliku, iako se E i B ne mijenjaju u onim područjima prostora koja su čestici dostupna i u kojima bi se, na taj način, mogli pripisati lokalnom fizičkom utjecaju na nju . Dakle, Aharonov - Bohmov efekat bi mogao biti argument u prilog fundamentalnijeg karaktera potencijala u poređenju sa jačinama polja. Međutim, Weidmann je pokazao da se Aharonov - Bohmov efekat može objasniti bez korištenja potencijala, ako damo potpuni kvantnomehanički tretman izvornim nabojima koji stvaraju elektromagnetno polje. Prema ovoj tački gledišta, potencijal u kvantnoj mehanici je fizički (ili nefizički) kao što je bio klasično.

vidi takođe

Bilješke (uredi)

  1. Ovo je bitno i čini se gotovo paradoksalnim, budući da se u klasičnoj fizici interakcija naboja s elektromagnetnim poljem događa u konačnici samo kroz jačine E i B , zbog čega je postalo uobičajeno da se ove veličine (i po značenju, pa čak i terminološki) poistovjećuju s elektromagnetnim samo polje, dok su se potencijali elektromagnetnog polja dugo vremena smatrali (ili su se mogli smatrati, budući da su bili eksperimentalno neuočljivi u klasičnoj fizici) samo kao čisto formalne pomoćne veličine.
  2. Ehrenberg, i RE Siday W., «Indeks loma u principima elektronske optike i dinamika», Proc. Phys. Soc. (London) B62 , 8-21 (1949)
  3. Aharonov, Y. i D. Bohm, "Značaj elektromagnetnih potencijala u kvantnoj teoriji", Phys. Rev. 115 , 485-491 (1959).
  4. RG Chambers, "Shift of an Electron Interference Pattern by Enclosed Magnetic Flux", Phys. Rev. Lett. 5 , 3 (1960); G. Möllenstedt i W. Bayh, Physikalische Blätter 18 , 299 (1961)
  5. Osakabe, N., T. Matsuda, T. Kawasaki, J. Endo, A. Tonomura, S. Yano, i H. Yamada et al. Eksperimentalna potvrda Aharonov-Bohmovog efekta korištenjem toroidnog magnetnog polja ograničenog supravodnikom ( eng.) // Physical Review A : journal. - 1986. - Vol. 34 , br. 2 . - P. 815-822 . - doi : 10.1103 / PhysRevA.34.815 . - Bibcode : 1986PhRvA..34..815O . - PMID 9897338 .
  6. Iznenađenje i paradoksalan efekat je u velikoj meri posledica oblika u klasičnoj elektrodinamici i terminologiji da su pojam elektromagnetnog polja i njegov intenzitet spojeni (što se vidi iz odsustva reči tenzija u terminu tenzor elektromagnetnog polja), to je rezultat koji se posebno ogleda u terminologiji održivih navika, pretpostaviti da nema polja ako su snage E i B jednake nuli, čak i ako potencijali nisu jednaki nuli i ... Pokazalo se da je ova navika nespojiva s smatranjem interakcije elektromagnetnog polja sa nabijenim česticama kao lokalnom.
  7. Pod jačinom se ovdje podrazumijeva tenzor elektromagnetnog polja , koji uključuje (kao komponente) komponente vektora jakosti električnog polja i vektora magnetne indukcije i stoga je matematički objekt koji u potpunosti karakterizira jačinu ( intenzitet) elektromagnetnog polja.
  8. Ako znate jačinu polja u čitavom prostoru, onda je u tipičnoj eksperimentalnoj situaciji konturni integral elektromagnetnog potencijala, koji daje fazni pomak u poređenju sa situacijom potpunog odsustva polja, jednak, prema Stokesu ' teorema , na površinski integral jačine (tenzorskog) polja preko površine koja seče i tu oblast, gde je ovaj intenzitet različit od nule (ovde površinski integral dobija doprinos različit od nule). U tom smislu, ispada da formulacija kroz intenzitete, a ne potencijale, nije lokalna: jačina elektromagnetnog polja različita od nule na jednom mjestu u prostoru utiče na kretanje elektrona u drugim, udaljenim od ovog mjesta, područjima (iako pokriva oblast sa snagom različitom od nule, ali se ne ukršta s njom, pa čak ni uz nju).
  9. Neposredno posmatrano, strogo govoreći, nije sam elektromagnetski potencijal, već njegovi integrali nad zatvorenim krugovima, ali se oni mjere direktno i neovisno o E i B , u interakciji s česticom gdje su E i B jednaki nuli.

Književnost

Naučni radovi
  • Bachtold, A., C. Strunk, JP Salvetat, JM Bonard, L. Forro, T. Nussbaumer i C. Schonenberger , "Aharonov-Bohmove oscilacije u ugljičnim nanocijevima", Nature 397 , 673 (1999).
  • Imry, Y. i RA Webb, "Kvantna interferencija i Aharonov-Bohmov efekat", Scientific American , 260 (4), april 1989.
  • Kong, J., L. Kouwenhoven, i C. Dekker, "Kvantna promjena za nanocijevi", Physics Web (juli 2004).
  • London, F. “O problemu molekularne teorije supravodljivosti”, Phys. Rev. 74 , 562-573 (1948).
  • Murray, M. Line Bundles (nedostupna veza) , (2002).
  • Olariu, S. i I. Iovitzu Popèscu, "Kvantni efekti elektromagnetnih fluksa", Rev. Mod. Phys. 57 , 339-436 (1985).
  • Peat, F. David , Beskonačni potencijal: Život i vremena Davida Bohma (Addison-Wesley: Reading, MA, 1997). ISBN 0-201-40635-7 .
  • Peshkin, M. Arhivirano 13. marta 2007. u Wayback Machine i Tonomura, A., Aharonov-Bohmov efekat (Springer-Verlag: Berlin, 1989). ISBN 3-540-51567-4 .
  • Schwarzschild, B. "Struje u prstenovima od normalnih metala pokazuju Aharonov-Bohmov efekat." Phys. Danas 39 , 17-20, Jan. 1986.
  • Sjöqvist, E. Lokalitet i topologija u molekularnom Aharonov-Bohm efektu, Phys. Rev. Lett. 89 (21), 210401 / 1-3 (2002).
  • van Oudenaarden, A., MH Devoret, Yu. V. Nazarov, i JE Mooij, "Magneto-električni Aharonov-Bohmov efekat u metalnim prstenovima", Nature 391 , 768-770 (1998).
  • Webb R., Washburn S., Umbach C., Laibowitz R. Promatranje h / e Aharonov-Bohmovih oscilacija u prstenovima od normalnog metala // Phys. Rev. Lett.. - 1985. - T. 54 . - S. 2696-2699 . - doi : 10.1103 / PhysRevLett.54.2696 .
Naučno-popularni radovi

Linkovi