纯电场引导电子运动首次实现

2011-5-13 09:02 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网5月10日报道,德国科学家首次使用纯电场,对电子进行了有效地引导。新的电导技术就像光纤中的波导一样,有望应用于导物质波实验、非侵入性电子显微镜等多个领域。相关研究发表在5月9日出版的《物理评论快报》上。

  厘清电子的属性对人们理解自然界的基本法则非常重要。电子是首个显示出具有类似波的性质的基本粒子,因此,其在量子力学理论的发展过程中不可或缺,观测电子会给科学家研究物理学的基本法则提供新的视域。然而,电子小且运行速度极快,因此很难控制。

  目前与限制电子有关的实验主要在“彭宁离子阱”中进行,该离子阱将一个稳恒磁场同一个振荡电场结合在一起。离子阱中使用的标准技术“保罗阱”1989年由因此获得诺贝尔物理学奖的德国物理学家沃尔夫冈·保罗发明,“保罗阱”建立于施加了一个射频电压的四个电极上,得到的电场会产生让离子保持在陷阱中央的驱动力。

  现在,马克斯普朗克超快量子光学科研小组的负责人皮特·霍默霍夫领导的团队将“保罗阱”应用于引导电子上,通过朝建造在一个平板衬底上的电极施加一个约为1吉赫(GHz,千兆赫兹)的微波电压,首次使用纯电场有效地引导了电子慢速运动。对于很多具有增殖电子的实验,比如要用到慢电子的干涉量度实验来说,使用纯电场限制电子非常具有优势。

  实验中,电子在一个热源中(像钨丝在灯泡中被加热一样)产生,射出的电子被校准同几个电子伏特的一束平行光束平行,因此,电子无法进入由一个平板衬底上的5个电极生成的“波导”中,而是由电极上方半毫米内的一个振荡四极场将电子限制在径向,纵向没有力施加于电子上,此处的电子能沿着“导管”自由行进。因为径向的限制非常强,电子被迫沿着电极小范围波动地行进。

  霍默霍夫表示,该实验证明,电子能被纯电场有效地引导。然而,因为电子源产生的有些电子束校准得不那么好,实验中失去了很多电子。未来,科学家计划将新的微波导同锋利金属尖的电场产生的电子源结合在一起,有望提供校准得非常好的电子束。

  科学家能利用新试验观测径向电压上电子的每个量子力学振荡。该试验的参与者约翰内斯·霍夫罗格表示,实验中观察到的电子被强烈限制意味着,电子不太可能从一个量子状态“跃迁”到更高状态,单个量子状态会持续相当长的时间,科学家可用此进行量子实验,诸如使用被引导的慢电子进行的干涉量度实验等。新方法也能用于开发新式电子显微镜技术。