Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Где находится заряд в электронной волне де Бройля?

При подготовке материала использована информация пресс-службы Российского научного фонда

Электрон представляет собой квантовый объект, который при определённых условиях ведёт себя подобно волне, что в квантовой механике описывается с помощью так называемой волновой функции. Физики выдвинули несколько интерпретаций квантовой механики и волновой функции, но наиболее популярная копенгагенская интерпретация связывает её с вероятностью нахождения частицы в данной точке. Таким образом сам электрон, рассматриваемый в классическом приближении как элементарная частица с радиусом 2,8•10-15 м или объект с квантовым размером (комптоновской длиной волны) 3,9•10-13 м, может находиться в любом месте внутри волны вероятности. Это называется неопределённостью координаты электрона, поскольку мы не знаем, где именно внутри фиктивной волны находится реальный электрон. Характерный размер области, занимаемой волновой функцией, в некоторых случаях может достигать миллиметров, что в десятки миллиардов раз больше, чем квантовый размер электрона. Такая точка зрения согласуется с многочисленными экспериментами, в том числе по излучению электромагнитных волн, в которых электроны излучают не как протяжённые в пространстве волны, а как маленькие шарики с электрическим зарядом.

Излучение Смита—Парселла электронной волны в форме пончика, проходящей над металлическими полосками. Её поперечный размер постепенно возрастает. Рисунок из статьи авторов работы: arxiv.org/pdf/2009.03169.pdf.

Однако за последние 10 лет физики научились придавать фронту волны де Бройля различные формы, в частности радуги или тора (пончика). В последнем случае электроны получили название «закрученные». И выяснилось, что форма и размер такой волны влияют на физические процессы взаимодействия с веществом, в которых принимает участие подобный электрон. А ведь такого не должно происходить, если электрон представляет собой почти точечную частицу. Это свидетельствует в пользу другой, несколько непривычной интерпретации волны де Бройля, в которой заряд электрона представляется как бы размазанным по всему пространству, занимаемому волной. То есть электрон может вести себя как облачко заряда определённой формы, если его положение в пространстве внутри облака напрямую не измеряется (при измерении координат квантового объекта его волновая функция перестаёт существовать — испытывает так называемый коллапс).

В настоящее время исследования вихревых или закрученных состояний свободных электронов ведутся в разных областях физики: от фундаментальных оснований квантовой механики до детального исследования вещества вплоть до отдельных атомов, столкновений частиц высоких энергий и процессов излучения электромагнитных волн. Поэтому ответ на вопрос, как именно ведёт себя электрон: как маленький заряженный шарик или как большое заряженное облако, представляет большой интерес.

В Томском государственном университете (руководитель проекта старший научный сотрудник лаборатории теоретической и математической физики физического факультета ТГУ, кандидат физико-математических наук Дмитрий Карловец) предложили схему эксперимента, который позволит подтвердить, что электрический заряд не всегда сосредоточен в малой области, а размазан по всему облаку волновой функции как у обычного пучка из многих электронов. Для этого необходимо широкую электронную волну де Бройля в форме пончика пустить над металлической дифракционной решёткой (последовательностью металлических полосок). Пролетающий электрон индуцирует в решётке изменяющуюся во времени плотность тока и при этом излучает электромагнитные волны — возникает так называемое излучение Смита—Парселла. Расчёты авторов работы показывают, что специфическая форма волны должна приводить к необычному эффекту — нелинейному усилению излучения, в результате чего закрученный электрон, потратив на излучение всю свою энергию, остановится намного быстрее, чем обычный. Кроме того, разное распределение заряда электрона в облаке приводит и к разным диаграммам направленности — изменению интенсивности излучения в зависимости от направления.

Если результаты расчётов подтвердятся в экспериментах, это будет означать, что электрон, оставаясь элементарной частицей, может при определённых условиях проявлять себя как объект, у которого электрический заряд размазан по всей области пространства, занимаемой волновой функцией.

Как указывают исследователи, проведение такого эксперимента не требует использования специальных дорогих установок. Достаточно электронного микроскопа, доступного во многих, в том числе и российских, лабораториях. При обычной работе пучок электронов в микроскопе фокусируется линзами в малое пятно порядка 0,1—1 нанометра (1 нм = 10-9 м), а вот если его не фокусировать, то волновой пакет расплывается в поперечном направлении и становится бесполезным для микроскопии, но зато полезным для предложенных фундаментальных исследований. Пройдя значительное расстояние от источника электронов, поперечный размер волны может достигнуть упомянутых выше миллиметров и даже больше. Электронные волны де Бройля, как и более привычные волны фотонов — частиц света, всегда расплываются по мере распространения — становятся шире, неопределённость координаты увеличивается. С самого начала квантовой механики это свойство часто рассматривалось как некоторый изъян теории, связанный лишь с нашим незнанием точного местоположения электрона. Однако в данном случае это расплывание приводит к необычным явлениям, которые можно наблюдать в эксперименте.

Преимущество микроскопа перед ускорителем частиц состоит в том, что ток электронов в нём можно сделать очень маленьким, так что за раз в нём будет проходить и взаимодействовать с мишенью всего один электрон, а не сгусток из огромного числа частиц.

Изучение «закрученных» электронов — довольно молодое направление исследований: первые эксперименты были проведены лишь в 2010—2011 годах. Но уже есть целый ряд идей (в том числе экспериментально подтверждённых) практического использования таких электронов. Они активно обсуждаются в физике частиц, диагностике поверхностей, магнитных материалов и метаматериалов, атомной физике, квантовых технологиях (запутанность) и других. Возможно, эти идеи в будущем станут источником создания не только новых ин-струментов для изучения фундаментальных физических явлений, но и прикладных методов исследований и перспективных технологий. С 2015 года физики пытаются работать и с нейтронами. В нашей стране этим занимаются пока только теоретики, все эксперименты — зарубежные, хотя имеющееся оборудование и технологии позволяют проводить такие эксперименты и у нас.

Результаты опубликованы в журнале Physical Review A, 103, 012214, 19 января 2021 года.

Другие статьи из рубрики «Вести из институтов»




Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее