純電場引導(dǎo)電子運(yùn)動實(shí)現(xiàn) 有助開發(fā)新式電子顯微鏡
德國科學(xué)家使用純電場,對電子進(jìn)行了有效地引導(dǎo)。新的電導(dǎo)技術(shù)就像光纖中的波導(dǎo)一樣,有望應(yīng)用于導(dǎo)物質(zhì)波實(shí)驗(yàn)、非侵入性電子顯微鏡等多個領(lǐng)域。相關(guān)研究發(fā)表在5月9日出版的《物理評論快報(bào)》上。
厘清電子的屬性對人們理解自然界的基本法則非常重要。電子是*顯示出具有類似波的性質(zhì)的基本粒子,因此,其在量子力學(xué)理論的發(fā)展過程中*,觀測電子會給科學(xué)家研究物理學(xué)的基本法則提供新的視域。然而,電子小且運(yùn)行速度極快,因此很難控制。
目前與限制電子有關(guān)的實(shí)驗(yàn)主要在“彭寧離子阱”中進(jìn)行,該離子阱將一個穩(wěn)恒磁場同一個振蕩電場結(jié)合在一起。離子阱中使用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)“保羅阱”1989年由因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎的德國物理學(xué)家沃爾夫?qū)?middot;保羅發(fā)明,“保羅阱”建立于施加了一個射頻電壓的四個電極上,得到的電場會產(chǎn)生讓離子保持在陷阱*的驅(qū)動力。
現(xiàn)在,馬克斯普朗克超快量子光學(xué)科研小組的負(fù)責(zé)人皮特·霍默霍夫*的團(tuán)隊(duì)將“保羅阱”應(yīng)用于引導(dǎo)電子上,通過朝建造在一個平板襯底上的電極施加一個約為1吉赫(GHz,千兆赫茲)的微波電壓,使用純電場有效地引導(dǎo)了電子慢速運(yùn)動。對于很多具有增殖電子的實(shí)驗(yàn),比如要用到慢電子的干涉量度實(shí)驗(yàn)來說,使用純電場限制電子非常具有優(yōu)勢。
實(shí)驗(yàn)中,電子在一個熱源中(像鎢絲在燈泡中被加熱一樣)產(chǎn)生,射出的電子被校準(zhǔn)同幾個電子伏特的一束平行光束平行,因此,電子無法進(jìn)入由一個平板襯底上的5個電極生成的“波導(dǎo)”中,而是由電極上方半毫米內(nèi)的一個振蕩四極場將電子限制在徑向,縱向沒有力施加于電子上,此處的電子能沿著“導(dǎo)管”自由行進(jìn)。因?yàn)閺较虻南拗品浅?qiáng),電子被迫沿著電極小范圍波動地行進(jìn)。
霍默霍夫表示,該實(shí)驗(yàn)證明,電子能被純電場有效地引導(dǎo)。然而,因?yàn)殡娮釉串a(chǎn)生的有些電子束校準(zhǔn)得不那么好,實(shí)驗(yàn)中失去了很多電子。未來,科學(xué)家計(jì)劃將新的微波導(dǎo)同鋒利金屬尖的電場產(chǎn)生的電子源結(jié)合在一起,有望提供校準(zhǔn)得非常好的電子束。
科學(xué)家能利用新試驗(yàn)觀測徑向電壓上電子的每個量子力學(xué)振蕩。該試驗(yàn)的參與者約翰內(nèi)斯·霍夫羅格表示,實(shí)驗(yàn)中觀察到的電子被強(qiáng)烈限制意味著,電子不太可能從一個量子狀態(tài)“躍遷”到更高狀態(tài),單個量子狀態(tài)會持續(xù)相當(dāng)長的時間,科學(xué)家可用此進(jìn)行量子實(shí)驗(yàn),諸如使用被引導(dǎo)的慢電子進(jìn)行的干涉量度實(shí)驗(yàn)等。新方法也能用于開發(fā)新式電子顯微鏡技術(shù)。