Основные понятия и определения
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им.В.И.Ульянова (Ленина)»
(СПбГЭТУ)
__________________________________________________________________
В.С. Фантиков, В.Н. Скобелев, В.А. Тупик, В.И. Марголин
ЕДИНИЧНЫЕ ФОТОНЫ. ОПЫТЫ АСПЕКТА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам
Санкт-Петербург
2016
УДК 621.3049
Единичные фотоны. Опыты Аспекта. Метод. указания к лаб. работам / сост. В.С. Фантиков, В.Н. Скобелев, В.А. Тупик, В.И. Марголин. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016. 34 с.
Содержит методические указания к выполнению лабораторной работы «Единичные фотоны. Опыты Аспекта.» по курсу «Физические основы микро- и наноэлектроники».
по направлениям:
110301 – «Радиотехника»
110302 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
110303 – «Конструирование и технология электронных устройств» по программе «Информационные технологии проектирования радиоэлектронных устройств»,
Специалистов по специальности «Радиоэлектронные системы и комплексы»
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний
Ó СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2016
Введение
Знакомство с современной физикой, в отличие от физики классической, вызывает естественные трудности восприятия основных понятий и идей квантовой механики - этого совершенно нового способа описания состояния микрочастиц и динамических законов, управляющих их движением.
|
|
|
Законы квантовой механики составляют основную теоретическую базу в изучении строения вещества. Так, опираясь на них, удалось выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер и свойства элементарных частиц.
Трудности при знакомстве с основами квантовой механики начинаются уже с описания основных характеристик самой микрочастицы, ее физического состояния, и, вообще, возможности задания ее начального и текущего состояния и контроля изменения этого состояния в процессе взаимодействия частицы с окружающими ее телами.
Даже сама возможность использования таких, казалось бы очевидных понятий, как пространственное положение микрочастицы, его изменение во времени, движение по траектории - для микрочастицы становится проблематичной. Более того, возникает существенное, неожиданное осложнение, связанное с взаимодействием микрочастицы с контролирующим ее движение измерительным прибором. Если в классической физике молчаливо предполагалось, что этим влиянием можно пренебречь, то в квантовой механике, как оказалось, воздействие прибора на микрообъект может радикально изменить его состояние.
|
|
|
Поэтому в теоретическую ткань квантовой механики органично вплетена взаимосвязь величин, характеризующих сами микрочастицы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми приборами.
Настоящая работа, позволит студенту более наглядно познакомиться с удивительными свойствами микрочастиц при их движении и взаимодействии с силовыми физическими полями в самых простых модельных ситуациях.
В процессе подготовки к выполнению работы и при ее непосредственном выполнении студенты приобретают необходимые первоначальные навыки и представления об основных понятиях и этапах решения типичной квантово-механической задачи.
На примере простейших барьерных задач в работе проводится компьютерное моделирование поведения микрочастицы в силовых полях с прямоугольным потенциалом (типа потенциальной ступени или барьера.)
С этой целью вначале студенту предлагается просмотреть демонстрационную программу, в которой моделируется поведение микрочастицы в зависимости от ее массы и энергии и от изменения силового поля, действующего на микрочастицу.
|
|
|
Можно наблюдать, как при варьировании энергии и массы закономерно меняются амплитуды отраженной и проходящей волн и, что особенно важно, наблюдать типичный квантово - механический эффект - эволюцию осциллирующих функций в экспоненциальные волновые, что соответствует некоторой глубине проникновения Xmax частицы в классически недоступную область.
Прочувствовав механизм возникновения туннельного эффекта, далее, в основной программе, студент уже самостоятельно на примере конкретного задания анализирует изменение состояния частицы, и ее движение в двух вариантах силовых полей (потенциальный скачок (ступенька) и потенциальный барьер).
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Основные понятия и определения
Принято считать, что свет распространяется в виде потока фотонов, что на протяжении уже более 200 лет подтверждается различными опытами и экспериментами. Вполне очевидно, что этих доказательств более чем достаточно для того, чтобы иметь достаточное представление о квантовых свойствах фотонов, но ряд таких явлений как поляризация, дифракция и интерференция показывают на то, что свет, наравне со свойствами частицы, также обладает и волновыми свойствами.
|
|
|
Принцип корпускулярно волнового-дуализма у фотонов был доказан таким явлением как фотоэффект: некоторые вещества под действием света начинают излучать энергию. Однако, в 1969 году было доказано, что фотоэлектрический эффект может быть доказан без использования концепции фотонов. Таким образом, для подтверждения корпускулярно-волнового дуализма фотонов, был поставлен целый ряд экспериментов.
Одним из таких экспериментов является опыт Ханбери-Брауна и Твисса, который смог показать, что фотон неделим и не может находиться в двух местах одновременно. Метод заключается в том, чтобы поместить два детектора на удалении друг от друга, осветить их одним источником света и проверить, будут ли они срабатывать одновременно. Если корпускулярная гипотеза верна, этого не должно происходить.
Экспериментальное оборудование, требуемое для такого эксперимента, очень простое: источник света, полупрозрачное зеркало и два детектора. Свет падает на полупрозрачное зеркало, которое действует как делитель луча. Если интенсивность падающего света равна I, то за зеркалом каждый из детекторов регистрирует интенсивность I/2. В то время как в среднем это всегда верно, мы сможем исследовать ситуацию подробнее, если проследим за временной зависимостью откликов двух детекторов на свет, падающий на них.
Результаты этого эксперимента удобно анализировать с помощью так называемого антикорреляционного параметра А:
(1)
где Р1 — экспериментально измеренная вероятность отклика первого детектора;
Р2 — то же для второго детектора;
P C — вероятность совпадений.
Величина А обладает несколькими свойствами, которые делают ее особенно полезной в данной ситуации. С одной стороны, если свет состоит из фотонов, два детектора никогда не должны срабатывать вместе, поэтому P C, а значит и А должны быть равны нулю. Если, с другой стороны, свет не имеет корпускулярных свойств, детекторы вполне могут срабатывать одновременно, и А может иметь ненулевое значение. Если детекторы будут срабатывать случайным образом и независимо друг от друга, то легко показать, что А будет равно единице. Если измеренное значение А будет больше единицы, то два детектора срабатывают одновременно чаще, чем позволяло бы чисто случайное поведение.
Таким образом, антикорреляционный параметр, выраженный в экспериментально измеримых величинах, равен:
(2)
где NС – число одновременных срабатываний двух детекторов;
N1 и N2 – число срабатываний от первого и второго детектора соответственно;
T – время эксперимента;
– разрешающая способность приборов по времени.
Результат эксперимента был удивителен. Он не только не смог продемонстрировать существование фотонов и их неделимость, он фактически показал, что, кажется, свет распространяется в пространстве волновыми импульсами: можно разделить импульс пополам, и обе половины прибудут в фотодетекторы в одно и то же время. Сложность с этими экспериментами заключается в характере использованных источников света
В качестве источника фотонов Ханбери-Браун и Твисс использовали ртутную лампу, миллионы фотонов рождались ежесекундно. Перемешиваясь с фотонами фонового излучения, опыт не давал чёткого представления проиходящего. Но позже, с появлением лазера, опыт был повторён учёными Аспектом, Грэнджером и Роджером.
Во избежание ошибок прошлого эксперимента, учёные решили повторить опыт с использованием единичных фотонов. Метод, приведший их к успеху, состоял в том, чтобы переводить атомы кальция в состояние, при релаксации из которого излучается два фотона вместо одного. Первый из этих фотонов был их меткой, а над вторым проводился антикорреляционный эксперимент.
Атом кальция после перехода в возбужденное s-состояние быстро возвращался к основному состоянию, проходя через промежуточное p-состояние. Таким образом, излучалось два фотона разной частоты за короткий промежуток времени (см. рисунок 1.1).
Рис. 1.1 - Источник единичных фотонов, использовавшийся в успешных экспериментах по антисовпадению Аспекта. а) Атом калия под действием лазера переходил в возбужденное s-состояние. При релаксации он переходил сначала на промежуточный p-уровень, излучая первый фотон V1, а затем на основной s-уровень с испусканием второго фотона V2:это тот фотон, с которым проводился эксперимент по антисовпадению.
Первый из этих фотонов сразу улавливался фотоумножителем РМТ1 а второй, как и раньше, попадал на полупрозрачное зеркало (см. рисунок 1.2). При детектировании первого фотона в РМТ, в два других детектора, РМТt и РМТr, поступал сигнал, предупреждавший о появлении второго фотона. Эти детекторы были готовы к срабатыванию через короткий промежуток времени после регистрации первого фотона. С помощью такой доработки эксперимента Аспект и др. смогли отсекать случайные попадания света на РМТt и РМТr, и регистрировать срабатывание только от единичных фотонов.
Рис. 1.2. Схема эксперимента по антисовпадению Аспекта, Грэнджера и Роджера. Попадение первого фотона, испущенного атомом и служащего в качестве триггера, в детектор РМТ1 даёт сигнал двум другим детекторам РМТt и РМТr быть готовыми принять второй фотон в течение короткого промежутка времени w.
В результате проведённого опыта, можно было с уверенностью заявить, что фотоны не только существуют, но и способны проявлять как корпускулярные свойства, показанные в этом опыте, так и волновые, доказанные такими явлениями как дифракция и интерференция.
Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 130; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!