В мире квантовой физики каждый день происходят удивительные открытия, которые меняют наше понимание фундаментальных законов природы. Недавнее исследование, проведенное И.М. Акимовым, П.О. Казинским и А.А. Соколовым, опубликованное в журнале Physical Review D , раскрыло новые свойства электронов, которые могут иметь важные последствия для квантовой электродинамики и технологий будущего. Ученые физического факультета Томского государственного университета обнаружили, что волновая функция одного электрона может поддерживать особые квазичастицы — плазмон-поляритоны.
Плазмон-поляритоны — это гибридные частицы, возникающие в результате взаимодействия плазмонов – квазичастиц, описывающих коллективные (как обычно считалось) колебания зарядов – с электромагнитным полем. Как правило, плазмоны изучаются в контексте плазмы или металлов, где они играют ключевую роль в оптических и электронных свойствах материалов. Однако новое исследование показывает, что плазмоны существуют и на одном электроне. В полном согласии с предсказанием классика оказалось, что: «Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна».
“Волновой пакет электрона можно представить как облако, которое может менять свою форму и плотность в зависимости от внешних условий. Плазмоны и плазмон-поляритоны — это “вибрации” такого облака, вызванные взаимодействием с внешним электромагнитным полем”, – рассказывает аспирант кафедры квантовой теории поля Алексей Соколов.
“Еще одна аналогия — это голограмма. В когерентных процессах, которые изучаются в статье, электронный волновой пакет действует как объект, создающий интерференционную картину с падающим фотоном. Это похоже на создание голограммы, где информация о квантовом состоянии электрона может быть считана с помощью рассеянного света”, — отмечает магистрант кафедры квантовой теории поля Иван Акимов.
В квантовой электродинамике электрон обычно рассматривается как точечная частица. Однако в некоторых когерентных процессах, таких как когерентное комптоновское рассеяние, волновая функция электрона ведет себя как своего рода “заряженная жидкость”. Это означает, что электрон может проявлять свойства, которые обычно ассоциируются с коллективными явлениями, такими как плазмоны.
Ученые обнаружили, что волновая функция одного электрона может поддерживать восемь независимых плазмон-поляритонных мод, что удивительным образом совпадает с числом глюонов и с числом псевдоскалярных мезонов в квантовой хромодинамике. Эти моды возникают как точные решения эффективных уравнений Максвелла, которые описывают распространение электромагнитного поля в присутствии волнового пакета одного электрона.
Исследователи рассмотрели два предельных случая:
- Коротковолновый предел, когда длина волны внешнего электромагнитного поля намного меньше, чем типичный масштаб изменений волновой функции электрона. В этом случае имеется восемь независимых плазмон-поляритонных мод.
- Инфракрасный предел, когда длина волны внешнего поля намного больше, чем размер волнового пакета электрона. В этом случае плазмоны сводятся к динамическому дипольному моменту, связанному с электроном. Другими словами, в когерентных электродинамических процессах с малой передачей импульса фотону электрон ведет себя как частица, обладающая динамическим дипольным моментом.
Практическая значимость и будущие исследования
Это открытие имеет важные последствия для понимания когерентных процессов в квантовой электродинамике. Например, в процессах вынужденного излучения от одиночного электрона в внешнем электромагнитном поле, плазмон-поляритонные резонансы могут значительно усиливать амплитуду когерентного рассеяния. Это может быть использовано в экспериментах, где электроны удерживаются в ловушках, таких как ловушка Пеннинга, для изучения их взаимодействия с электромагнитными полями.
Ученые планируют продолжить исследования, чтобы изучить влияние плазмон-поляритонных резонансов на другие когерентные процессы, где волновая функция электрона ведет себя как “заряженная жидкость”. Это может открыть новые горизонты в квантовой оптике, нанофотонике и других областях, где взаимодействие света с веществом играет ключевую роль.
Заключение
Открытие плазмон-поляритонов на одном электроне — это еще один шаг к пониманию сложной природы квантового мира. Оно не только расширяет наши знания о фундаментальных свойствах электронов, но и открывает новые возможности для разработки квантовых технологий будущего.
“Мы только начинаем понимать, насколько сложным может быть поведение элементарных частиц. Наша работа — это шаг к тому, чтобы увидеть электрон не как точку, а как сложную систему с множеством степеней свободы”, — заключает профессор кафедры квантовой теория поля П.О. Казинский.
Полный текст статьи «Плазмон-поляритонные моды на волновом пакете одного электрона» опубликован в Physical Review D ), см. также arXiv.