Эффект Ааронова — Бома

Мезоскопическая физика
См. также: Портал:Физика

Эффе́кт Ааро́нова — Бо́ма (иначе эффект Эренберга — Сидая — Ааронова — Бома) — квантовое явление, при котором на частицу с электрическим зарядом или магнитным моментом, электромагнитное поле влияет даже в тех областях, где напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля равны нулю[1], но не равны нулю скалярный и/или векторный потенциалы электромагнитного поля (то есть если не равен нулю электромагнитный потенциал).

Самая ранняя форма этого эффекта была предсказана Эренбергом и Сидаем в 1949 году[2], подобный эффект был позже предсказан вновь Аароновым и Бомом в 1959 году[3].

Эксперимент

Иллюстрация эффекта Ааронова — Бома в двухщелевом опыте с электронами, где магнитное поле B замкнуто в кольцевом сердечнике. Изменение локального магнитного поля B, замкнутого в кружке, приводит к смещению интерференционных полос.
Аппарат для эксперимента эффекта Ааронова–Бома, показывающий барьер X; щели S1 и S2; траектории электронов e1 и e2; магнитную щетку W; экран P; интерференционную картину I; магнитную индукцию B (направленную из плоскости рисунка); и магнитный векторный потенциал A. Магнитная индукция B в основном равна нулю за пределами щетки. В некоторых экспериментах щетка заменяется соленоидом. Электроны на пути 1 сдвигаются относительно электронов на пути 2 за счет векторного потенциала, несмотря на то, что плотность магнитного потока равна нулю

Наиболее часто описываемый случай, иногда называемый эффектом соленоида Ааронова–Бома, происходит, когда волновая функция заряженной частицы, проходящей вокруг длинного соленоида, претерпевает сдвиг фазы из-за заключённого магнитного поля, несмотря на то что магнитное поле пренебрежимо мало в области, через которую проходит частица, и волновая функция частицы также пренебрежимо мала внутри соленоида. Этот сдвиг фазы был экспериментально наблюдён [4]. Также существуют магнитные эффекты Ааронова–Бома, влияющие на связанные энергии и сечения рассеяния, но эти случаи ещё не были экспериментально проверены. Было предсказано электрическое явление Ааронова–Бома, при котором заряженная частица взаимодействует с областями, имеющими разные электрические потенциалы, но нулевое электрическое поле, однако это явление пока не имеет экспериментального подтверждения [4]. Отдельный "молекулярный" эффект Ааронова–Бома был предложен для ядерного движения в многосвязанных областях, однако утверждается, что это другой тип геометрической фазы, так как он "не является ни нелокальным, ни топологическим", а зависит только от локальных величин вдоль ядерного пути [5].

Эффект наблюдается для магнитного поля и электрического поля, но влияние магнитного поля зафиксировать легче, поэтому впервые эффект был зарегистрирован именно для него в 1960 году[6]. Эти экспериментальные данные, однако, подвергались критике, поскольку в проводимых измерениях не удавалось в полной мере создать условия, при которых напряжённость магнитного поля была бы строго равна нулю на всей траектории движения электрона.

Все сомнения в существовании эффекта в экспериментах были сняты после проведения в 1986 году опытов с использованием сверхпроводящих материалов, полностью экранирующих магнитное поле (в смысле экранирования его вектора индукции)[7].

Интерпретации и трактовки

Сущность эффектов Ааронова — Бома можно переформулировать следующим образом: Обычной для классической электродинамики[8] концепции локального воздействия напряжённости[9] электромагнитного поля на частицу недостаточно, чтобы предсказать квантовомеханическое поведение частицы. В терминах напряжённостей полей, для описания заряженной квантовой частицы оказалось необходимым знать напряжённость электромагнитного поля во всём пространстве.[10]. Если E или B не равны нулю хотя бы в какой-то области пространства, вероятность попадания в которую для заряженной частицы равна нулю, то такое поле, тем не менее, может заметно влиять на квантовое поведение заряженной частицы (а именно - на фазу волновой функции частицы). При этом изменяется дифракционная картина, в том числе положение дифракционного максимума и т. п.

Однако через электромагнитный потенциал теория эффекта строится естественно и локально.[источник не указан 3244 дня]

Эффект Ааронова — Бома можно интерпретировать как доказательство того, что потенциалы электромагнитного поля являются не просто математической абстракцией, полезной для вычисления напряжённостей, а в принципе независимо наблюдаемыми[11] величинами, имеющими таким образом несомненный и прямой физический смысл.

Противопоставление потенциалов и силовых характеристик поля

Классическая физика основана на понятии силы, и напряжённость электрического поля E, так же как и вектор магнитной индукции B — по сути «силовые характеристики» электромагнитного поля: их можно использовать для наиболее прямого и непосредственного вычисления силы, действующей на заряженную частицу (в сущности, скажем, E — и есть просто сила, действующая на единичный неподвижный заряд).

В рамках специальной теории относительности эта концепция не претерпела радикальных изменений. Сила из уравнения Ньютона не является 4-вектором, отчего в данной теории расчёты и формулировки с использованием понятия силы несколько теряют первоначальную ньютоновскую простоту и красоту (а поэтому закрадываются некоторые сомнения в их фундаментальности). (E и B также не являются 4-векторами, однако это не приводит к полной замене представлений об электромагнитном поле, так как для них находится достаточно прямое и красивое 4-мерное обобщение — тензор электромагнитного поля (компоненты E и B оказываются его компонентами), во многом позволяющий записать уравнения электродинамики даже более компактно и красиво, чем E и B по отдельности, при этом оставаясь по смыслу всё той же напряжённостью поля).

В квантовой механике частица представлена как волна (а значит, вообще говоря, не локализована в точке пространства или даже в малой окрестности точки), поэтому принципиально оказывается довольно трудно описать её взаимодействие с чем-либо (например, с электромагнитным полем) в терминах силы (ведь классическое понятие силы или силового поля подразумевает, что воздействие на частицу — которая в классике точечна — происходит тоже в одной точке пространства; а естественно обобщить этот подход на квантовый случай делокализованной частицы оказывается не просто). Поэтому в квантовой механике предпочитают иметь дело с потенциальной энергией и потенциалами.

При формулировке электродинамики, теория в принципе может выбрать за основные величины напряжённости E и B, или потенциалы φ и A. Вместе φ и A образуют 4-вектор (φ — нулевая компонента, A — три остальные компоненты) — электромагнитный потенциал (4-потенциал). Однако он не является однозначно определённым, поскольку к этому 4-вектору всегда можно добавить некоторую 4-векторную добавку (так называемое калибровочное преобразование), и при этом поля E и B не изменяются (это одно из проявлений калибровочной инвариантности). Долгое время физики задавались вопросом, фундаментально ли поле электромагнитного потенциала, даже если оно не может быть определено единственным образом, или его появление в теории — это только удобный формальный математический трюк.

Согласно эффекту Ааронова — Бома, меняя электромагнитный потенциал, можно менять непосредственно измеримые величины — пропуская электрон через области пространства, где поля E и B вообще отсутствуют (имеют нулевые значения), но электромагнитный потенциал отличен от нуля: изменения электромагнитного потенциала меняют непосредственно наблюдаемую картину, хотя E и B не меняются в тех областях пространства, которые доступны частице, и в которых таким образом им можно было бы приписать локальное физическое воздействие на неё. Таким образом, эффект Ааронова — Бома мог быть аргументом в пользу более фундаментального характера потенциалов по сравнению с напряжённостями полей. Однако Вайдман показал, что эффект Ааронова — Бома можно объяснить без использования потенциалов, если дать полную квантово-механическую обработку зарядам источника, которые создают электромагнитное поле. Согласно этой точке зрения, потенциал в квантовой механике столь же физический (или нефизический), как это было классически.

Гравитационный эффект

Общая теория относительности предсказывает существование фазового сдвига Ааронова–Бома, вызываемого гравитационным потенциалом. [12] В 2012 г. была выдвинута идея экспериментального наблюдения гравитационного эффекта Ааронова–Бома[13][14] и в 2022 году на её основе был проведён эксперимент.[15][16][17]

В эксперименте ультрахолодные атомы рубидия запускались вертикально внутрь десятиметровой вакуумной трубы, наверху которой находилась осесимметричная масса, которая изменяла гравитационный потенциал, и затем атомный волновой пакет расщеплялся на две части при помощи лазерного излучения так, чтобы одна часть поднималась выше другой, а затем обе части интерферировали, позволяя экспериментально наблюдать сдвиг фазы. Было обнаружено статистически значимое соответствие между измерениями и предсказаниями теории.[18][19][20][21]

См. также

Примечания

  1. Это существенно и кажется почти парадоксальным, поскольку в классической физике взаимодействие зарядов с электромагнитным полем происходит в конечном итоге только через посредство напряжённостей и , что сделало привычным отождествление этих величин (как по смыслу, так даже и терминологически) с самим электромагнитным полем, в то время как потенциалы электромагнитного поля долгое время рассматривались (или могли рассматриваться, поскольку в классической физике были экспериментально ненаблюдаемы) лишь как чисто формальные вспомогательные величины.
  2. Ehrenberg, W. and R. E. Siday, «The Refractive Index in Electron Optics and the Principles of Dynamics», Proc. Phys. Soc. (London) B62, 8—21 (1949)
  3. Aharonov, Y. and D. Bohm, «Significance of electromagnetic potentials in quantum theory», Phys. Rev. 115, 485—491 (1959).
  4. 1 2 Batelaan, H. & Tonomura, A. (Sep 2009). "The Aharonov–Bohm effects: Variations on a Subtle Theme". Physics Today. 62 (9): 38—43. Bibcode:2009PhT....62i..38B. doi:10.1063/1.3226854. Архивировано 16 августа 2024. Дата обращения: 7 ноября 2024.
  5. Sjöqvist, E (2014). "Locality and topology in the molecular Aharonov–Bohm effect". Physical Review Letters. 89 (21): 210401. arXiv:quant-ph/0112136. Bibcode:2002PhRvL..89u0401S. CiteSeerX 10.1.1.252.210. doi:10.1103/PhysRevLett.89.210401. PMID 12443394. S2CID 118929792.
  6. R. G. Chambers, "Shift of an Electron Interference Pattern by Enclosed Magnetic Flux, " Phys. Rev. Lett. 5, 3 (1960); G. Möllenstedt and W. Bayh, Physikalische Blätter 18, 299 (1961)
  7. Osakabe, N., T. Matsuda, T. Kawasaki, J. Endo, A. Tonomura, S. Yano, and H. Yamada et al. Experimental confirmation of Aharonov–Bohm effect using a toroidal magnetic field confined by a superconductor (англ.) // Physical Review A : journal. — 1986. — Vol. 34, no. 2. — P. 815—822. — doi:10.1103/PhysRevA.34.815. — Bibcode1986PhRvA..34..815O. — PMID 9897338.
  8. Неожиданность и парадоксальность эффекта во многом есть следствие сформировавшейся в классической электродинамике терминологии, в которой понятия электромагнитного поля и его напряжённости слились (что видно уже из отсутствия слова напряжённость в термине тензор электромагнитного поля), то есть следствие отразившейся и в терминологии устойчивой привычки, в частности, считать, что «поля нет», если напряжённости E и B равны нулю, хотя бы и не были равны нулю потенциалы и . Такая привычка оказалась несовместимой с рассмотрением взаимодействия электромагнитного поля с заряженными частицами как локального.
  9. Под напряжённостью здесь понимается тензор электромагнитного поля, включающий в себя (в качестве компонент) компоненты вектора напряжённости электрического поля и вектора магнитной индукции и являющийся, таким образом, математическим объектом, полностью характеризующим напряжённость (напряжённости) электромагнитного поля.
  10. Если знать напряжённость поля во всем пространстве, то в типичной ситуации эксперимента контурный интеграл электромагнитного потенциала, дающий сдвиг фазы по сравнению с ситуацией полного отсутствия поля, равен по теореме Стокса поверхностному интегралу от (тензора) напряжённости поля по поверхности, пересекающей и ту область, где эта напряжённость ненулевая (именно там поверхностный интеграл получает ненулевой вклад). В этом смысле оказывается, что формулировка через напряжённости, а не потенциалы, не является локальной: ненулевая напряжённость электромагнитного поля в одном месте пространства действует на движение электрона в других, удалённых от этого места, областях (хотя и охватывающих область с ненулевой напряжённостью, но не пересекающиеся с ней и даже не примыкающие к ней вплотную).
  11. Непосредственно наблюдаемым, строго говоря, оказывается не сам электромагнитный потенциал, а его интегралы по замкнутым контурам, но тем не менее они то измеряются непосредственно и независимо от E и B, взаимодействуя с частицей там, где E и B равны нулю.
  12. Алексей Понятов Десять значимых событий 2022 года в астрономии и физике 7. Гравитационный эффект Ааронова—Бома Архивная копия от 12 февраля 2023 на Wayback Machine // Наука и жизнь, 2023, № 2. — с. 34
  13. Hohensee, Michael A.; Estey, Brian; Hamilton, Paul; Zeilinger, Anton; Müller, Holger (2012-06-07). "Force-Free Gravitational Redshift: Proposed Gravitational Aharonov-Bohm Experiment". Physical Review Letters (англ.). 108 (23): 230404. arXiv:1109.4887. Bibcode:2012PhRvL.108w0404H. doi:10.1103/PhysRevLett.108.230404. ISSN 0031-9007. PMID 23003927. S2CID 22378148.
  14. Ehrenstein, David (2012-06-07). "The Gravitational Aharonov-Bohm Effect". Physics (англ.). 5. Архивировано 12 февраля 2023. Дата обращения: 12 февраля 2023.
  15. Overstreet, Chris; Asenbaum, Peter; Curti, Joseph; Kim, Minjeong; Kasevich, Mark A. (2022-01-14), "Observation of a gravitational Aharonov-Bohm effect", Science (англ.), 375 (6577): 226—229, Bibcode:2022Sci...375..226O, doi:10.1126/science.abl7152, ISSN 0036-8075, PMID 35025635, S2CID 245932980, Архивировано 12 февраля 2023, Дата обращения: 12 февраля 2023 {{citation}}: Игнорируется текст: "journal" (справка)
  16. Has a new experiment just proven the quantum nature of gravity? (амер. англ.). Big Think. Дата обращения: 21 января 2022. Архивировано 21 января 2022 года.
  17. "Quantum particles can feel the influence of gravitational fields they never touch". Science News (англ.). 2022-01-13. Архивировано 21 января 2022. Дата обращения: 21 января 2022.
  18. Dowker, J. S. (26 April 1967). "A gravitational Aharonov-Bohm effect". Il Nuovo Cimento B. Series 10 (англ.). 52 (1): 129—135. Bibcode:1967NCimB..52..129D. doi:10.1007/BF02710657. ISSN 0369-3554. S2CID 118872135.
  19. Ford, L H; Vilenkin, A (1981-09-01). "A gravitational analogue of the Aharonov-Bohm effect". Journal of Physics A: Mathematical and General (англ.). 14 (9): 2353—2357. Bibcode:1981JPhA...14.2353F. doi:10.1088/0305-4470/14/9/030. ISSN 0305-4470. Архивировано 12 февраля 2023. Дата обращения: 12 февраля 2023.
  20. B Ho, Vu; J Morgan, Michael (1994). "An Experiment to Test the Gravitational Aharonov-Bohm Effect". Australian Journal of Physics (англ.). 47 (3): 245. Bibcode:1994AuJPh..47..245H. doi:10.1071/PH940245. ISSN 0004-9506.
  21. Overstreet, Chris; Asenbaum, Peter; Kasevich, Mark A. (11 August 2021), "Physically significant phase shifts in matter-wave interferometry", American Journal of Physics (англ.), 89 (3): 324—332, arXiv:2008.05609, Bibcode:2021AmJPh..89..324O, doi:10.1119/10.0002638, ISSN 0002-9505, S2CID 221113180, Архивировано 12 февраля 2023, Дата обращения: 12 февраля 2023 {{citation}}: Игнорируется текст: "journal" (справка)

Литература

Научные работы

  • Афанасьев, Г. Н. Старые и новые проблемы в теории эффекта Ааронова — Бома // Физика элементарных частиц и атомного ядра. — 1990. — Т. 21. — С. 172—250.
  • Bachtold, A., C. Strunk, J. P. Salvetat, J. M. Bonard, L. Forro, T. Nussbaumer and C. Schonenberger, «Aharonov-Bohm oscillations in carbon nanotubes», Nature 397, 673 (1999).
  • Imry, Y. and R. A. Webb, «Quantum Interference and the Aharonov-Bohm Effect», Scientific American, 260(4), April 1989.
  • Kong, J., L. Kouwenhoven, and C. Dekker, «Quantum change for nanotubes», Physics Web (July 2004).
  • London, F. «On the problem of the molecular theory of superconductivity», Phys. Rev. 74, 562—573 (1948).
  • Murray, M. Line Bundles (недоступная ссылка), (2002).
  • Olariu, S. and I. Iovitzu Popèscu, «The quantum effects of electromagnetic fluxes», Rev. Mod. Phys. 57, 339—436 (1985).
  • Peat, F. David, Infinite Potential: The Life and Times of David Bohm (Addison-Wesley: Reading, MA, 1997). ISBN 0-201-40635-7.
  • Peshkin, M. Архивная копия от 13 марта 2007 на Wayback Machine and Tonomura, A., The Aharonov-Bohm effect (Springer-Verlag: Berlin, 1989). ISBN 3-540-51567-4.
  • Schwarzschild, B. «Currents in Normal-Metal Rings Exhibit Aharonov-Bohm Effect». Phys. Today 39, 17—20, Jan. 1986.
  • Sjöqvist, E. «Locality and topology in the molecular Aharonov-Bohm effect», Phys. Rev. Lett. 89 (21), 210401/1—3 (2002).
  • van Oudenaarden, A., M. H. Devoret, Yu. V. Nazarov, and J. E. Mooij, «Magneto-electric Aharonov-Bohm effect in metal rings», Nature 391, 768—770 (1998).
  • Webb R., Washburn S., Umbach C., Laibowitz R. Observation of h/e Aharonov-Bohm Oscillations in Normal-Metal Rings // Phys. Rev. Lett.. — 1985. — Т. 54. — С. 2696—2699. — doi:10.1103/PhysRevLett.54.2696.

Научно-популярные работы

Ссылки