Цивилизация
Сотрудники Томского государственного университета выяснили, что, изменяя форму волны электрона, можно контролировать его внутренние характеристики. Теперь ученые смогут создавать пучки частиц, которые будут полезны при определении электромагнитных свойств разных материалов. Работа проходила в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом (РНФ) в рамках Президентской программы исследовательских проектов, а ее результаты опубликованы в журнале Physical Review A.
В классической (неквантовой) картине мира электрон или любая другая частица – это очень маленький заряженный шарик. В квантовой же картине мира электрон -– пространственно протяженный объект, который называется волной де Бройля. В таком случае у самого электрона формы нет: он и не плоский, и не сплюснутый, а представляет собой волну вероятности. Она имеет какую-то форму, но не имеет границ: у электрона есть центр, но он нигде не заканчивается, так как волна заполняет всю Вселенную. Волны, как электромагнитные, так и де Бройля, бывают разных видов: сферические, плоские, цилиндрические. Ученые могут менять их форму, например, с помощью линзы. При этом можно контролировать некоторые внутренние свойства самого электрона.
«В своей работе мы теоретически показываем, что, меняя форму волны электрона или, что то же самое, его квантовое состояние, можно задавать некоторые внутренние характеристики частицы», — рассказал один из авторов статьи Дмитрий Карловец, руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Томского государственного университета.
Авторы выяснили, что таким образом можно контролировать магнитный дипольный момент электрона, который характеризует взаимодействие электрона с магнитным полем, и электрический квадрупольный момент, который показывает, насколько отличается распределение электрического заряда электрона от идеально сферического. Раньше ученые считали, что эти внутренние характеристики электрона связаны только с его спином и «сферичностью»: чем «круглее» электрон, тем ближе к нулю значение его квадрупольного момента. Однако авторы статьи доказали, что эти свойства задаются в том числе квантовым состоянием самого электрона, то есть формой волны де Бройля. Это значит, что моменты электрона — не фундаментальные характеристики, они зависят в том числе от того, как именно экспериментатор настроит электронный пучок. Специалисты, работающие на электронных микроскопах, уже умеют это делать.
«У нашего исследования есть как фундаментальные, так и практические приложения. Например, можно создавать пучки электронов и других частиц с заранее заданными характеристиками и использовать их в разных экспериментах в физике частиц, атомной и ядерной физике, космологии и других науках», — добавил Дмитрий Карловец. Он также отметил, что созданные пучки частиц можно будет использовать, чтобы эффективнее определить электромагнитные свойства разных материалов, в том числе искусственных метаматериалов со сложными свойствами, которые определяются не столько комбинацией элементов, сколько искусственно подобранной и созданной внутренней структурой.
