양자반사

양자반사는 중성자나 작은 분자와 같은 콤팩트한 물체가 수은 웅덩이 같은 훨씬 큰 표면에서 와블리크하게 반사되는 독특한 양자 현상이다.이와는 대조적으로, 고전적으로 작용하는 중성자나 분자는 던져진 공처럼 같은 표면을 타격할 것이며, 흡수되거나 흩어지는 하나의 원자 규모의 위치에서만 타격할 것이다.양자반사는 입자 자체가 아니라 입자의 확장된 양자파 패킷이기 때문에 입자파 이중성의 강력한 실험적 실증실험을 제공한다.

정의

양자반사는 21세기에 물리학의 중요한 부분이 되었다.양자반사에 관한 워크숍에서는 다음과 같은 양자반사의 정의가 제시되었다.^[1]

양자반사는 입자의 움직임이 입자에 작용하는 "힘에 반하는" 전형적인 직관에 반하는 현상이다.이 효과는 입자의 파동 특성을 나타내고 초경량 원자의 충돌과 고체 표면과의 원자의 상호작용에 영향을 미친다.

양자반사 관측은 최근 원자의 포획과 냉각의 발달로 가능해졌다.

느린 원자의 반사

양자역학의 원리는 어떤 입자에나 적용되지만, 일반적으로 "양자반사"라는 용어는 응축된 물질(액체 또는 고체)의 표면에서 나오는 원자의 반사를 의미한다.입사 원자에 의해 경험되는 완전한 전위는 표면으로부터 아주 작은 거리(원자의 크기 순서)에서 혐오스러워진다.이때 원자가 물질의 별개의 특성을 인식하게 된다.이러한 반발은 표면에서 입자가 발생할 경우 예상할 수 있는 고전적인 산란을 야기한다.그러한 산란은 지정체보다는 확산되기 때문에 반사체의 이 성분은 구별하기 쉽다.실제로, 물리적 과정의 이 부분을 줄이기 위해, 발생의 각도가 사용된다; 이것은 양자 반사를 강화한다.입자에 대한 작은 입사 속도의 요건은 양자역학에 대한 비-상대적 근사치가 필요한 전부임을 의미한다.

단차원 근사치

지금까지, 사람들은 보통 이 현상의 단차원 사례, 즉 잠재력이 두 방향(예: $y{\displaystyle }$ ${\displaystyle y}$ $및{\displaystyle }$ z$$ ${\displaystyle$ z$})$으로 변환 대칭성을 가질 때 단일 좌표(예: $x{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ x$\})$만 중요한 경우를 고려한다.이 경우에 한 사람은 고체상태 표면으로부터 느리게 중립적인 원자의 지정학적 반사를 검사할 수 있다.^[2][3]극성이 가능한 물질에 가까운 자유 공간의 영역에 원자가 있는 경우, 순수 반 데르 발스 상호작용과 관련된 카시미르-폴더 상호작용의 조합은 원자를 물질의 표면으로 끌어당긴다.후자의 힘은 원자가 표면에서 비교적 멀리 떨어져 있을 때 지배하고, 전자는 원자가 표면에 가까이 왔을 때 지배한다.중간 영역은 입사 원자의 특성과 양자 상태에 따라 달라져 논란이 되고 있다.

원자가 매력적인 전위를 경험할 때 반사가 발생하는 조건은 WKB가 원자파 함수에 근사치가 분해되는 공간의 영역에 의해 주어질 수 있다.만약, 이 근사치에 따라, $x{\displaystyle }$ ${\displaystyle x}$축을$$ 따라 모든 지역에 국부적인 양으로서 표면을 향한 원자 시스템의 총 운동 파장을 기록한다면,

${\displaystyle \lambda \left(x\오른쪽)={\frac {h}{\sqrt {2m\left(E-V\left(x\오른쪽)\오른쪽)}}}}$

여기서 $m{\displaystyle }$ ${\displaystyle m}$은 원자 질량이고, ${\displaystyle E}${\$displaystyle ~$$E~}$은(는) 에너지이며$$, ${\displaystyle V}$ $)$는 그것이 경험하는 잠재력이다$.$ 그렇다면 우리는 다음과 같은 경우에 이 양에 의미를 부여할 수 없다.

${\displaystyle \left {d\fractda \left(x\오른쪽)}{dx}\오른쪽 \sim 1}$

즉, 원자 파장의 변동이 그 자체 길이에 걸쳐 유의한 공간 영역(${\displaystyle 즉}$, V${\displaystyle }$( x${\displaystyle }$) ${\displaystyle V(x)}$의 구배가 가파른$$ 공간 영역에서는 국소 파장의 근사치에는 의미가 없다.이러한 파괴는 ${\displaystyle 잠재력}$ ${\displaystyle V}$ (${\displaystyle }$x$){\$V(x$)~}$의 기호와 무관하게 발생한다$.$ 그러한 지역에서는 입사 원자파 기능의 일부가 반영될 수 있다.그러한 반사는 재료 표면 근처에서 반 데르 발스 전위의 비교적 빠른 변동을 경험하는 느린 원자에 대해 발생할 수 있다.이는 빛이 공간의 작은 영역에 걸쳐 한 굴절률의 물질에서 현저하게 다른 지수의 물질로 통과할 때 발생하는 것과 같은 종류의 현상일 뿐이다.지수의 차이의 기호와 상관없이, 인터페이스에서 반사되는 빛의 구성요소가 있을 것이다.실제로 고체 상태의 웨이퍼 표면에서 양자 반사를 통해 거울의 양자 광학 아날로그인 원자 거울을 높은 정밀도로 만들 수 있다.

방목 발생 실험

실제로 Si의 양자반사를 이용한 많은 실험에서는 방목발생 각도가 사용된다(그림 A).이 설정은 진공실에 장착되어 원자가 없는 몇 미터 경로를 제공한다; 양호한 진공(10 Torr⁻⁷ 또는 130 μPa 수준)이 필요하다.자기 광학 트랩(MOT)은 보통 흥분한 He나 Ne로 원자의 점처럼 생긴 근원에 접근하는 차가운 원자를 모으는 데 사용된다.원자의 소화는 양자 반사에 필수적이지는 않지만 광학 주파수를 이용한 효율적인 트래핑과 냉각을 가능하게 한다.또한 원자의 소화를 통해 마이크로 채널 플레이트(MCP) 검출기(그림의 하단)에 등록할 수 있다.이동 가능한 가장자리는 시준된 원자 빔을 제공하는 표본(예: Si 플레이트)으로 가지 않는 원자를 정지하는 데 사용된다.He-Ne 레이저는 샘플의 방향을 제어하고 방목각 ${\$을 측정하는 데 사용되었다$.$ MCP에서는 샘플의 강한 그림자(이 그림자의 두께는 b)를 우회하여 MOT에서 직선으로 오는 원자의 비교적 집약적인 스트립이 관찰되었다.e) 방목 각도의 대략적인 제어에 사용), 그리고 반사된 원자에 의해 생성된 상대적으로 약한 스트립.이 스트립의 중심에 등록된 원자의 밀도와 직접 조명을 받는 부위의 원자 ${\displaystyle 밀도}$의 r$[\displaystyle$ ~$r~]$은 양자반사의 효율성, 즉 반사율의 효율성으로 간주되었다.이 반사율은 원자의 방목각과 속도에 따라 크게 좌우된다.

Ne atoms를 이용한 실험에서, 대개 그냥 넘어질 때, MOT가 갑자기 꺼질 때.그러면 원자의 속도는 ${\displaystyle v}$= ${\displaystyle \sqrt{\mathrm{2g}}}$ h $displaystyle ~v={\sqrt{2g}}$로 결정되는데$,$ ${\displaystyle 여기}$서 g ${\$ ~$g~}$은 자유낙하의 가속도, ${\displaystyle h}$ ${\$은 MOT에서 샘플까지의 거리인 것이다.설명한 실험에서 이 거리는 0.5m(2ft)로 3m/s(6.7mph, 11km/h)의 속도를 제공했다.그런 다음 횡방향 와바넘버는 ${\displaystyle k}$= ${\displaystyle \sin }$ $⁡$ (${\displaystyle )}$ ) m ${\displaystyle v\frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{v}{}}$ v ${\displaystyle \frac{}{}}$ $\$ {\$displaystyle$~$k=\sin$(\$theta ){\frac$ {mv$}{\$$hbar$$\}\}\}\}\}\}\}$로 계산할 수 있으며, ${\displaystyle 여기}$서$$m {\$displaystystyle$$$~m~${\displaystyle m}$$$$~}$은 Plank 상수이다$.$

He의 경우, 추가 공명 레이저를 사용하여 원자를 방출하고 추가 속도를 제공할 수 있다; 원자가 방출된 이후부터 등록까지의 지연은 이 추가 속도를 추정할 수 있다; 대략,${\displaystyle v}$ = ${\displaystyle 1\frac{\mathrm{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{t}{}}$ ${\displaystyle \frac{h}{}}$ $displaystyle ~v={\frac${1}{$1}{t\!$$~h$ 여기서 ${\displaystyle t}$ ${\$은(는) 원자가 방출된 이후 검출기를 클릭할 때까지의 시간 지연이다$$.$실제로{\displaystyle }$ v ${\displaystyle v}$은(는) 20 ~ 130m/s(45 ~ 291mph, 72 ~ 468km/h)까지 달라질 수 있다$$.^[4][5][6]

그림의 계획은 간단해 보이지만, 확장 설비는 원자를 느리게 하고, 그들을 가두어 밀리켈빈 온도로 냉각시키기 위해 필요하며, 차가운 원자의 마이크로미터 크기의 원천을 제공한다.실질적으로 이 설비의 탑재와 유지보수는 (그림에 나와 있지 않음) 차가운 원자의 양자반사 실험에서 가장 무거운 작업이다.MOT 대신 핀홀만으로 양자반사 실험을 할 가능성이 문헌에서 논의되고 있다.^[6]

카시미르와 반 데르 발스의 매력

그럼에도 불구하고, 고체 표면에서 양자 반사의 물리적 기원에 대해서는 약간의 의심이 있다.위에서 간단히 언급했듯이, Casimir-Polder와 Van der Waals 상호작용에 의해 지배되는 지역들 사이의 중간 영역의 잠재력은 표면상의 원자 사건의 특정 상태와 유형에 대한 명시적인 양자 전자역학적 계산을 요구한다.그런 계산은 매우 어렵다.실제로, 이러한 잠재력이 중간 지역 내에서만 매력적이라고 생각할 이유는 없다.따라서 그 반사는 단순히 혐오스러운 힘으로 설명될 수 있었는데, 그것은 그 현상을 그다지 놀랍지 않게 만들 것이다.또한, 표면 근처에서 입자가 흡수되는 경우 입사 속도에 대한 반사율에 대한 유사한 의존성이 관찰된다.가장 간단한 경우, 그러한 흡수는 비 헤르미티아 잠재력(즉, 확률이 보존되지 않는 가능성)으로 설명할 수 있다.2006년까지, 출판된 논문은 그 반성을 은둔자의 잠재력 관점에서 해석했다;^[7] 이러한 가정은 양적 이론을 세울 수 있게 한다.^[8]

효율적인 양자 반사

양자반사의 효율성에 대한 정성적 추정은 치수분석을 이용하여 할 수 있다.$m{\displaystyle }$ ${\displaystyle m}$을(를) 원자의 $질량$이고${\displaystyle }$k = ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle /}$ / ${\displaystyle \lambda }${\$displaystyle k=2\pi$/\$lambda$} 파동 벡터의 정상$$ 구성 요소인 다음 입자의 정상 운동 에너지,

${\displaystyle E={\frac {(\hbar k)^{2}}{2m}}$

교호작용의$$ 잠재력 $V{\displaystyle }$( ${\displaystyle x}$) ${\displaystyle$ V$(x)}$과 비교해야 한다.$E{\displaystyle }$= ${\displaystyle V}$( $){\$$displaystyle x_{t} }$이(가) 있는 거리인 ${\displaystyle x{}_{}}$ ${\displaystyle t_{}}$ ${\displaystyle \{\backslash {}_{}}$$displaystyle E=V(x)}$는 원자가 전위적으로 골치 아픈 불연속성을 마주하게 되는 거리로 간주할$$ 수 있다.WKB 방식이 정말 난센스가 되는 시점이다.효율적인 양자반사를 위한 조건은 < 1 ${\displaystyle$k$x_{t} <1}.$즉, 원자가 표면에서 반사될 수 있는 거리에 비해 파장이 작다.이 조건이 지속된다면, 앞서 언급한 표면의 이산형 성질의 효과는 무시될 수 있다.이 인수는 반사율 $r{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ r$}$에 대한 단순 추정치를 산출한다$.$

${\displaystyle r={\frac {1}{{1}{(1+k x_{t} )^{4}}}:{4}}}$

이는 평평한 실리콘 표면(그림.1)에서 반사된 흥분된 네온 및 헬륨 원자에 대한 실험 데이터와 양호한 일치성을 보여준다. 참조 및 참조.그러한 적합성은 매력적인 잠재력으로부터 원자가 산란하는 단차원적 분석과도 잘 일치한다.^[9]이러한 합의는 적어도 고귀한 기체와 Si 표면의 경우, 원자가 표면으로 끌어당긴 결과로서 단차원 은둔자 전위로 양자 반사를 설명할 수 있음을 나타낸다.

칠거울

양자반사의 효과는 거울을 이용하여 강화될 수 있다.^[10] 만약 좁은 굴곡들로 구성된 표면을 생산한다면, 그 결과 물질의 불균일함이 효과적인 반 데르 발 상수를 감소시킬 수 있다. 이것은 방목 각도의 작업 범위를 확장한다.이 축소가 유효하려면 능선 사이에$$ $L{\displaystyle }$ ${\displaystyle L}$이라는 작은 거리가 있어야 한다.$L{\displaystyle }$ ${\displaystyle L}$이(가) 커지면$$, 비균일성은 땜질 거울이 다중 프레스넬 회절^[4] 또는 제노 효과의 관점에서 해석되어야 하는 것이다. 이러한 해석은 반사성에 대해 유사한 추정치를 제공한다.^[5][11]자세한 내용은 옻칠된 거울을 참조하십시오.

유사한 양자반사의 개선은 기둥의 배열에서 입자가 발생하는 곳에서 일어난다.^[12]이것은 거의 정상적인 발생에서 매우 느린 원자(보스-아인슈타인 응축수)로 관측되었다.

양자반사 적용

양자 반사는 고체 상태의 원자 거울과 원자 빔 영상 시스템(원자 나노스코프)의 아이디어를 가능하게 한다.^[6]원자 함정의 생산에 양자 반사를 사용하는 것도 제안되었다.^[9]2007년까지 양자반사의 상업적 적용은 보고되지 않았다.

참조

참고 항목

• 원자광학
• 칠거울
• 카시미르 힘
• 판데르 발스 잠재력