Дефазинг и восстановление классического поведения в квантовых системах.
Dephasing
Дефазинг в квантовой физике: механизм восстановления классического поведения систем. Влияние температуры и размеров на квантовые эффекты в материалах и устройствах.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Механизм восстановления классического поведения из квантовой системы
Mechanism recovering classical behavior from a quantum system
В физике дефазирование — это механизм, восстанавливающий классическое поведение из квантовой системы. Оно относится к способам, которыми когерентность, вызванная возмущением, со временем распадается, и система возвращается в состояние, предшествующее возмущению. Это важный эффект в молекулярной и атомной спектроскопии, а также в физике конденсированного состояния мезоскопических устройств. Причину этого можно понять, описывая проводимость в металлах как классическое явление с квантовыми эффектами, полностью включенными в эффективную массу, которую можно вычислить квантово-механически, как и в случае сопротивления, которое можно рассматривать как эффект рассеяния электронов проводимости. Когда температура понижается и размеры устройства существенно уменьшаются, это классическое поведение должно исчезнуть, и законы квантовой механики должны определять поведение проводящих электронов, рассматриваемых как волны, которые движутся баллистически внутри проводника без какого-либо рассеяния. В большинстве случаев именно это и наблюдается. Однако неожиданностью стало обнаружение того, что так называемое время дефазирования, то есть время, необходимое проводящим электронам для потери своего квантового поведения, становится конечным, а не бесконечным, когда температура приближается к нулю в мезоскопических устройствах, что противоречит ожиданиям теории Бориса Альтшулера, Аркадия Аронова и Дэвида Е. Хмельницкого. Этот вид насыщения времени дефазирования при низких температурах остается открытой проблемой, хотя и было предложено несколько объяснений. Когерентность образца объясняется внедиагональными элементами матрицы плотности. Внешнее электрическое или магнитное поле может создавать когерентность между двумя квантовыми состояниями в образце, если частота соответствует энергетической разнице между этими состояниями. Члены когерентности распадаются со временем дефазирования или спин-спиновой релаксацией, T2. После создания когерентности в образце светом, образец излучает волну поляризации, частота которой равна частоте падающего света, а фаза инвертирована относительно него. Кроме того, образец возбуждается падающим светом, создавая популяцию молекул в возбужденном состоянии. Свет, проходящий через образец, поглощается из-за этих двух процессов, что выражается в спектре поглощения. Когерентность уменьшается с постоянной времени T2, и интенсивность волны поляризации снижается. Популяция возбужденного состояния также распадается с постоянной времени продольной релаксации T1. Постоянная времени T2 обычно намного меньше, чем T1, а ширина полосы спектра поглощения связана с этими постоянными времени посредством преобразования Фурье, поэтому постоянная T2 является основным фактором, определяющим ширину полосы. Постоянная времени T2 была измерена непосредственно с помощью ультрабыстрой спектроскопии с временным разрешением, например, в экспериментах с фотонным эхом. Какова скорость дефазирования частицы с энергией E, если она подвергается флуктуирующей среде с температурой T? В частности, какова скорость дефазирования вблизи равновесия (E ~ T) и что происходит в пределе нулевой температуры? Этот вопрос увлекал мезоскопическое сообщество в течение последних двух десятилетий (см. ссылки ниже).
In physics, dephasing is a mechanism that recovers classical behaviour from a quantum system. It refers to the ways in which coherence caused by perturbation decays over time, and the system returns to the state before perturbation. It is an important effect in molecular and atomic spectroscopy, and in the condensed matter physics of mesoscopic devices. The reason can be understood by describing the conduction in metals as a classical phenomenon with quantum effects all embedded into an effective mass that can be computed quantum mechanically, as also happens to resistance that can be seen as a scattering effect of conduction electrons. When the temperature is lowered and the dimensions of the device are meaningfully reduced, this classical behaviour should disappear and the laws of quantum mechanics should govern the behavior of conducting electrons seen as waves that move ballistically inside the conductor without any kind of dissipation. Most of the time this is what one observes. But it appeared as a surprise to uncover that the so called dephasing time, that is the time it takes for the conducting electrons to lose their quantum behavior, becomes finite rather than infinite when the temperature approaches zero in mesoscopic devices violating the expectations of the theory of Boris Altshuler, Arkady Aronov and David E. Khmelnitskii. This kind of saturation of the dephasing time at low temperatures is an open problem even as several proposals have been put forward. The coherence of a sample is explained by the off diagonal elements of a density matrix. An external electric or magnetic field can create coherences between two quantum states in a sample if the frequency corresponds to the energy gap between the two states. The coherence terms decay with the dephasing time or spin–spin relaxation, T2. After coherence is created in a sample by light, the sample emits a polarization wave, the frequency of which is equal to and the phase of which is inverted from the incident light. In addition, the sample is excited by the incident light and a population of molecules in the excited state is generated. The light passing through the sample is absorbed because of these two processes, and it is expressed by an absorption spectrum. The coherence decays with the time constant, T2, and the intensity of the polarization wave is reduced. The population of the excited state also decays with the time constant of the longitudinal relaxation, T1. The time constant T2 is usually much smaller than T1, and the bandwidth of the absorption spectrum is related to these time constants by the Fourier transform, so the time constant T2 is a main contributor to the bandwidth. The time constant T2 has been measured with ultrafast time resolved spectroscopy directly, such as in photon echo experiments. What is the dephasing rate of a particle that has an energy E if it is subject to a fluctuating environment that has a temperature T? In particular what is the dephasing rate close to equilibrium (E~T), and what happens in the zero temperature limit? This question has fascinated the mesoscopic community during the last two decades (see references below).