特洛伊波包
特洛伊波包（英語：trojan wave packet ）是非穩態且不擴散的波包 ，屬於由原子核和一個或多個電子波包所組成的人造系統，受到連續電磁場高度激發。
強烈的偏振電磁場會將電子波包控制住，或是說將其「捕獲」在特意選擇的軌道（能量殼層）中。[1][2] 波包名稱源自太陽–木星系統中的特洛伊小行星 。[3] 特洛伊小行星位於木星軌道上的拉格朗日平衡點L4和L5，圍繞著太陽運行。它們在此處相位鎖定，避免相互碰撞，而特洛伊波包的結合方式就類似於這種現象。
概念與研究
特洛伊波包的概念源自蓬勃發展的物理學領域，物理領域已經可以做到在原子層級上操縱原子和離子，造出可以控制原子的離子阱，進而使用離子阱來創造新的物質形態，包括離子液體、維格納晶體和玻色-愛因斯坦凝聚 。[4] 控制量子特性的能力是在現實生活中發展奈米元件（例如量子點和微晶片阱）應用的直接關鍵。2004年研究表明，造出一個實際上是單原子的阱，並操縱原子內部電子的行為是有可能的。 [5]
在2004年使用激發態鋰原子進行的實驗中，研究人員能夠將單顆電子定位在15000個軌道（900 ns）中的其中一個軌道上，既不會擴散，也不會色散。這種「經典原子」是透過微波場來合成的，藉由 "拴住 "電子，使其運動被相位鎖定在微波場內。這種獨特原子系統中的電子相位鎖定，就類似於上面所堤到的木星軌道的小行星相位鎖定。[6]
這個實驗所探討的技術是對一個早期問題的解決方案，這問題可追溯到1926年。當時的物理學家意識到，任何初始的局部波包都將不可避免地擴散到整個電子軌道，物理學家注意到「原子庫侖位能的波方程會產生色散」。到了1980年代，幾組研究人員證明了這一點。波包會在軌道上一路擴散開來，並與自己發生相干性干涉。近期透過諸如特洛伊波包等實驗所實現的創新是將波包局部化，亦即沒有發生擴散。該創新是應用了圓偏振電磁場，在微波頻率下與電子波包同步，故意讓電子波包保持在拉格朗日型軌道上。[7] [8]特洛伊波包實驗是建立在之前激發態鋰原子實驗的工作基礎上，實驗的原子對電場和磁場反應靈敏，衰變周期相對較長，而電子則出於各種意圖和目標，確實運行在經典軌道上。由於偏振微波場可以用來進行控制和響應，因此對電場和磁場的敏感度相當重要。[9]
超越單電子波包
.gif)
下一個合乎邏輯的步驟是嘗試從單電子波包進展到多電子波包 。而雙電子波包已經在鋇原子中完成這兩個電子波包都是局域化的。但是它們最終在原子核附近碰撞，進而產生色散 。另一種技術採用了一對非色散電子，但其中一顆電子的軌道必須局部化且靠近原子核。這種非色散型雙電子特洛伊波包的演示改變了現況，而這些是單電子特洛伊波包的下一階段類比，專為類比激發氦原子而設計。[11] [12]
到2005年7月，帶有具相干性、穩定性的非色散型雙電子波包的原子已經被實作了出來。 它們可以是處於激發態的類氦原子或量子點氦（在固態應用中），也可以在原子（量子）尺度上類比於牛頓經典物理學的三體問題。同時，圓偏振電磁場和磁場使在氦原子或量子點氦（帶有雜質中心）的雙電子組態能夠穩定，且在廣闊的電磁波譜內都能維持穩定。因此，這種雙電子波包的組態被認為是真正的非色散性，比如，配置在受到束縛的二維空間量子點氦的電子。現今已經有了各式各樣的雙電子的特洛伊波包組態，而截至2005年，只有一個三維空間的配置。 [13] 在2012年進行了一項重要的實驗步驟，不僅以絕熱變化的頻率生成並鎖定特洛伊波包，也按照Kalinski和Eberly的預測對原子進行擴張。 [14]透過在絕熱斯塔克場（adiabatic Stark field）中的連續激發，可以在氦中產生雙電子朗繆爾特洛伊波包，先是在He+
上首次產生圓形單電子環，接着再將第二個電子置於類似的狀態 。[15]
參見
參考文獻
- ^ 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. （原始內容存檔 (PDF)於2017-08-09）.
- ^ Kalinski, Maciej; Eberly, JH. Trojan wave packets: Mathieu theory and generation from circular states. Physical Review A. 1996, 53 (3): 1715–1724. Bibcode:1996PhRvA..53.1715K. PMID 9913064. doi:10.1103/PhysRevA.53.1715.
- ^ 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
. doi:10.1103/PhysRevA.63.013811.
- ^ Andrews, M. R.; C. G. Townsend; H.-J. Miesner; D. S. Durfee; D. M. Kurn; W. Ketterle. Observation of Interference Between Two Bose Condensates. Science. 1997, 275 (5300): 637–641. CiteSeerX 10.1.1.38.8970 . PMID 9005843. S2CID 38284718. doi:10.1126/science.275.5300.637.
- ^ Maeda, H. & Gallagher, T. F. Nondispersing Wave Packets. Phys. Rev. Lett. 2004, 92 (13): 133004. Bibcode:2004PhRvL..92m3004M. PMID 15089602. doi:10.1103/PhysRevLett.92.133004.
- ^ Maeda, H.; D. V. L. Norum; T. F. Gallagher. Microwave Manipulation of an Atomic Electron in a Classical Orbit. Science. 2005, 307 (5716): 1757–1760. Bibcode:2005Sci...307.1757M. PMID 15705805. doi:10.1126/science.1108470.Originally published in Science Express on 10 February 2005
- ^ Stroud, C. R. Jr. An astronomical solution to an old quantum problem. Physics. 2009, 2 (19): 19 [2020-07-15]. Bibcode:2009PhyOJ...2...19S. doi:10.1103/Physics.2.19. （原始內容存檔於2016-04-08）.
- ^ Murray, C. D.; Dermot, S. F. Solar System Dynamics. Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press. 2000 [2020-07-15]. ISBN 978-0-521-57597-3. （原始內容存檔於2020-09-20）.
- ^ Metcalf Research Group. Rydberg Atom Optics. Stoney Brook University. 2004-11-08 [2008-07-30]. （原始內容存檔於August 26, 2005）.
- ^ Joy Manners. Quantum Physics: An Introduction. CRC Press. 2000: 53–56 [2020-07-15]. ISBN 978-0-7503-0720-8. （原始內容存檔於2021-04-07）.
- ^ Brodsky, M.; Zhitenev, NB; Ashoori, RC; Pfeiffer, LN; West, KW. Localization in Artificial Disorder: Two Coupled Quantum Dots. Physical Review Letters. 2000, 85 (11): 2356–9. Bibcode:2000PhRvL..85.2356B. PMID 10978009. arXiv:cond-mat/0001455 . doi:10.1103/PhysRevLett.85.2356.
- ^ Berman, D.; Zhitenev, N.; Ashoori, R.; Shayegan, M. Observation of Quantum Fluctuations of Charge on a Quantum Dot. Physical Review Letters. 1999, 82 (1): 161–164. Bibcode:1999PhRvL..82..161B. arXiv:cond-mat/9803373 . doi:10.1103/PhysRevLett.82.161.
- ^ Kalinski, Matt; Hansen, Loren; David, Farrelly. Nondispersive Two-Electron Wave Packets in a Helium Atom. Physical Review Letters. 2005, 95 (10): 103001. Bibcode:2005PhRvL..95j3001K. PMID 16196925. doi:10.1103/PhysRevLett.95.103001.
- ^ Kalinski, M.; Eberly, J. Guiding electron orbits with chirped light. Optics Express. 1997, 1 (7): 216–20. Bibcode:1997OExpr...1..216K. PMID 19373404. doi:10.1364/OE.1.000216.
- ^ Wyker, B.; Ye, S.; Dunning, F. B.; Yoshida, S.; Reinhold, C.O.; Burgdörfer, J. Creating and Transporting Trojan Wave Packets (PDF). Physical Review Letters. 2012, 108 (4): 043001. Bibcode:2012PhRvL.108d3001W. PMID 22400833. doi:10.1103/PhysRevLett.108.043001.
進一步閱讀
圖書
- 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. （原始內容存檔於2020-08-09）.
期刊文章
- 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.