特洛伊波包
特洛伊波包（英语：trojan wave packet ）是非稳态且不扩散的波包 ，属于由原子核和一个或多个电子波包所组成的人造系统，受到连续电磁场高度激发。
强烈的偏振电磁场会将电子波包控制住，或是说将其“捕获”在特意选择的轨道（能量壳层）中。[1][2] 波包名称源自太阳–木星系统中的特洛伊小行星 。[3] 特洛伊小行星位于木星轨道上的拉格朗日平衡点L4和L5，围绕著太阳运行。它们在此处相位锁定，避免相互碰撞，而特洛伊波包的结合方式就类似于这种现象。
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，物理领域已经可以做到在原子层级上操纵原子和离子，造出可以控制原子的离子阱，进而使用离子阱来创造新的物质形态，包括离子液体、维格纳晶体和玻色-爱因斯坦凝聚 。[4] 控制量子特性的能力是在现实生活中发展奈米元件（例如量子点和微芯片阱）应用的直接关键。2004年研究表明，造出一个实际上是单原子的阱，并操纵原子内部电子的行为是有可能的。 [5]
在2004年使用激发态锂原子进行的实验中，研究人员能够将单颗电子定位在15000个轨道（900 ns）中的其中一个轨道上，既不会扩散，也不会色散。这种“经典原子”是透过微波场来合成的，借由 "拴住 "电子，使其运动被相位锁定在微波场内。这种独特原子系统中的电子相位锁定，就类似于上面所堤到的木星轨道的小行星相位锁定。[6]
这个实验所探讨的技术是对一个早期问题的解决方案，这问题可追溯到1926年。当时的物理学家意识到，任何初始的局部波包都将不可避免地扩散到整个电子轨道，物理学家注意到“原子库仑位能的波方程会产生色散”。到了1980年代，几组研究人员证明了这一点。波包会在轨道上一路扩散开来，并与自己发生相干性干涉。近期透过诸如特洛伊波包等实验所实现的创新是将波包局部化，亦即没有发生扩散。该创新是应用了圆偏振电磁场，在微波频率下与电子波包同步，故意让电子波包保持在拉格朗日型轨道上。[7] [8]特洛伊波包实验是建立在之前激发态锂原子实验的工作基础上，实验的原子对电场和磁场反应灵敏，衰变周期相对较长，而电子则出于各种意图和目标，确实运行在经典轨道上。由于偏振微波场可以用来进行控制和响应，因此对电场和磁场的敏感度相当重要。[9]
超越单电子波包
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下一个合乎逻辑的步骤是尝试从单电子波包进展到多电子波包 。而双电子波包已经在钡原子中完成这两个电子波包都是局域化的。但是它们最终在原子核附近碰撞，进而产生色散 。另一种技术采用了一对非色散电子，但其中一颗电子的轨道必须局部化且靠近原子核。这种非色散型双电子特洛伊波包的演示改变了现况，而这些是单电子特洛伊波包的下一阶段类比，专为类比激发氦原子而设计。[11] [12]
到2005年7月，带有具相干性、稳定性的非色散型双电子波包的原子已经被实作了出来。 它们可以是处于激发态的类氦原子或量子点氦（在固态应用中），也可以在原子（量子）尺度上类比于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或量子点氦（带有杂质中心）的双电子组态能够稳定，且在广阔的电磁波谱内都能维持稳定。因此，这种双电子波包的组态被认为是真正的非色散性，比如，配置在受到束缚的二维空间量子点氦的电子。现今已经有了各式各样的双电子的特洛伊波包组态，而截至2005年，只有一个三维空间的配置。 [13] 在2012年进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的预测对原子进行扩张。 [14]透过在绝热斯塔克场（adiabatic Stark field）中的连续激发，可以在氦中产生双电子朗缪尔特洛伊波包，先是在He+
上首次产生圆形单电子环，接着再将第二个电子置于类似的状态 。[15]
参见
[编辑]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）.
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- ^ 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
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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. （原始内容存档于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.