Кванттық мираж: Атомдық құрылымдардағы электрондық көрініс
Quantum mirage
Кванттық саяхат: кванттық хаос құбылысы, траекториялардың іздері, эллипстік аренадағы фокус аймағында байқалады. Тәжірибелік зерттеулер 2000 жылы жүргізілді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Физикада кванттық мираж – кванттық хаостың ерекше бір құбылысы. Кванттық динамикалық бильярдтың кез келген жүйесі "із қалдыру" деп аталатын әсерді көрсетеді, онда кванттық ықтималдық тығыздығы классикалық бильярд добының қозғалыс жолдарының іздерін көрсетеді. Эллипстік аренада бұл эффект ерекше айқын түрде ошақтарда байқалады, себебі осы аймаққа көптеген классикалық траекториялар жиналады. Ошақтағы іздер "кванттық мираж" деп аталады. Кванттық мираж алғаш рет 2000 жылы Калифорния штатының Сан-Хосе қаласындағы IBM Almaden зерттеу орталығында Хари Манохаран, Кристофер Лутц және Дональд Эйглер тарапынан эксперименттік жолмен байқалды. Бұл құбылыс өте керемет, бірақ эллипстік аренадағы динамикалық бильярдтың кванттық механикасы туралы бұрынғы жұмыстармен толық сәйкес келеді.
In physics, a quantum mirage is a peculiar result in quantum chaos. Every system of quantum dynamical billiards will exhibit an effect called scarring, where the quantum probability density shows traces of the paths a classical billiard ball would take. For an elliptical arena, the scarring is particularly pronounced at the foci, as this is the region where many classical trajectories converge. The scars at the foci are colloquially referred to as the "quantum mirage". The quantum mirage was first experimentally observed by Hari Manoharan, Christopher Lutz and Donald Eigler at the IBM Almaden Research Center in San Jose, California in 2000. The effect is quite remarkable but in general agreement with prior work on the quantum mechanics of dynamical billiards in elliptical arenas.
Кванттық қорған
Мираж кванттық қоршақтың фокустарында, яғни субстратқа кездейсоқ пішінде орналастырылған атомдар сақинасында пайда болады. Кванттық қоршақ 1993 жылы Латц, Эйглер және Кромми мыс бетіндегі темір атомдарының эллипстік сақинасын жеке атомдарды манипуляциялау үшін төмен температурадағы сканирлеуші туннельдік микроскоптың ұшын қолдана отырып көрсеткен. Ферромагниттік темір атомдары мыс бетінің электрондарын сақина ішінде кванттық механика теориясы болжаған толқын үлгісіне айналдырды. Кванттық қоршақтарды жасанды атомдар деп қарастыруға болады, олар тіпті нақты атомдар сияқты химиялық байланыс қасиеттерін де көрсетеді. Қоршақтың мөлшері мен пішіні оның кванттық күйін, соның ішінде электрондардың энергиясын және таралуын анықтайды. Миражға қолайлы жағдай жасау үшін Альмадендегі команда электрондарды эллипстің фокустарында шоғырландыратын қоршақтың конфигурациясын таңдады. Ғалымдар магниттік кобальт атомын қоршақтың бір фокусына орналастырғанда, атомның миражы екінші фокуста пайда болды. Атап айтқанда, кобальт атомы тек бір фокуста болғанымен, екі фокусты қоршаған электрондарда бірдей электрондық қасиеттер болды. Сканирлеуші туннельдік микроскопияда атомдық өткір металл ұшы атомдық тегіс үлгі бетіне жақындатылады, осылайша атомнан ұшқа тиетін электрондардың туннельдік эффектісі пайда болады. Ұштың көмегімен бетке адсорбцияланған атомдарды бірегей пішіндерге орналастыруға болады; мысалы, Cu(111) бетінде 48 адсорбцияланған темір атомы 14,26 нм диаметрлі шеңберге орналастырылған. Мыс бетіндегі электрондар темір атомдары құраған шеңбердің ішінде тұрақталды. Адсорбцияланған темір атомдарынан шашыраған электрондардың конструктивті интерференциясы нәтижесінде ортасында үлкен шыңы бар тұрған толқын үлгісі пайда болады.
The mirage occurs at the foci of a quantum corral, a ring of atoms arranged in an arbitrary shape on a substrate. The quantum corral was demonstrated in 1993 by Lutz, Eigler, and Crommie using an elliptical ring of iron atoms on a copper surface using the tip of a low temperature scanning tunneling microscope to manipulate individual atoms. The ferromagnetic iron atoms reflected the surface electrons of the copper inside the ring into a wave pattern, as predicted by the theory of quantum mechanics. Quantum corrals can be viewed as artificial atoms that even show similar chemical bonding properties as real atoms. The size and shape of the corral determine its quantum states, including the energy and distribution of the electrons. To make conditions suitable for the mirage the team at Almaden chose a configuration of the corral which concentrated the electrons at the foci of the ellipse. When scientists placed a magnetic cobalt atom at one focus of the corral, a mirage of the atom appeared at the other focus. Specifically the same electronic properties were present in the electrons surrounding both foci, even though the cobalt atom was only present at one focus. In scanning tunneling microscopy, an atomically sharp metal tip is advanced towards the atomically flat sample surface until electron tunneling out of the atom and into the advancing tip becomes effective. Using the sharp tip we can also arrange atoms adsorbed on the surface into unique shapes; for example, 48 adsorbed iron atoms on Cu(111) arranged into a 14.26 nm diameter circle. The electrons on the copper surface are trapped inside the circle formed by the iron atoms. A standing wave pattern emerges with a large peak at the center due to the constructive interference of electrons on the copper surface as they scatter off the adsorbed iron atoms.
Қолданбалар
IBM ғалымдары болашақта атомдық деңгейдегі процессорларды құру үшін кванттық мираждарды пайдалануға үміттенеді.
IBM scientists are hoping to use quantum mirages to construct atomic scale processors in the future.