Квантовая динамика пучков с фазами и её приложения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-72-20013

НазваниеКвантовая динамика пучков с фазами и её приложения

Руководитель Карловец Дмитрий Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-602 - Квантовая теория поля, квантовая механика

Ключевые слова Квантовая теория рассеяния, волновой пакет, фаза, орбитальный угловой момент, закрученные фотоны, закрученные электроны, адрон, функции Вигнера, квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика, атомная физика, излучение, кристалл, лазер, запутанность

Код ГРНТИ29.05.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Многочисленные задачи квантовой информатики и оптики, физики наноматериалов и поверхностей с заданными свойствами, атомной спектроскопии и биологии требуют использования лазерных пучков с орбитальным угловым моментом, когерентных состояний, двух-фотонных квантовых суперпозиций (т.н. “кот Шрёдингера”) и др. “Закрученные” фотоны с орбитальным моментом уже позволили существенно повысить размерность квантового запутывания пар, привели к созданию нового типа т.н. оптических пинцетов, успешно применяемых в биологии и медицине. Генерация электронов и нейтронов в подобных квантовых состояниях за последние 7 лет и фокусировка первых в пятно размером 1 Ангстрем в 2011 г. позволила существенно улучшить качество анализа магнитных свойств наноматериалов, открыла новые возможности для атомной спектроскопии и электронной микроскопии с субнанометровым разрешением. Всего несколько месяцев назад получены электроны с орбитальным моментом около 1000ħ; их магнитный момент примерно в 1000 раз превышает магнетон Бора, что делает такие электроны уникальным инструментом анализа магнитных свойств поверхностей. Помимо закрученных частиц в ряде лабораторий были сгенерированы и другие пучки с настраиваемыми характеристиками (основную роль играет фаза волновой функции) и разнообразными приложениями: оптические и электронные пучки Эйри (последние получены 4 года назад) и их различные обобщения. Всё это позволяет говорить о Новой эпохе в квантовой физике, когда создаваемые состояния частиц уже не могут быть описаны плоскими волнами или даже гауссовыми пучками. Хотя соответствующие решения волновых уравнений с фазами волновых функций хорошо известны, применение таких пучков в физических приложениях упирается в отсутствие развитой квантовой теории рассеяния нанометровых и субнанометровых волновых пакетов, их излучения во внешних электромагнитных полях и средах. Привычные “плосковолновые” модели неприменимы в режиме, когда размер пакета соизмерим с радиусом атома водорода. Именно с этим ограничением в атомной физике недавно столкнулся целый ряд научных групп. Такие пучки с фазами оказываются более чувствительными к внутренним степеням свободы атомов и молекул (и, возможно, адронов), что делает их потенциально полезными для индустрии наноматериалов с заданными свойствами (где закрученные электроны уже применяются), для целей микроскопии с субнанометровым разрешением, атомной и ядерной физики. Данный проект направлен на исследование физических процессов с нанометровыми и субнанометровыми пучками частиц с фазами волновых функций и на разработку предложений по применению таких пучков в фундаментальных и прикладных исследованиях. В рамках проекта будет развита квантовая теория рассеяния волновых пакетов с фазами за пределами приближения плоских волн, исследованы процессы рассеяния и аннигиляции таких пучков в различных моделях теории поля, прежде всего в квантовой электродинамике и хромодинамике, будут изучены процессы излучения во внешних электромагнитных полях, в т.ч. в полях мощных лазеров, и в средах с дисперсией, в том числе в кристаллах. Особое внимание будет уделено физическим процессам в “ультра-квантовом” режиме, когда функции Вигнера частиц перестают быть всюду положительными, что приводит к усилению чисто квантовых эффектов нелокальности и запутанности, делая такие пучки важным инструментом современной квантовой информатики, физики наноматериалов, атомной и ядерной физики и т.д. Результаты детального исследования процессов рассеяния и излучения “неклассических” пакетов позволят пролить новый свет на фундаментальные проблемы современной физики (например, проблемы спина и “радиуса” протона), дадут новые инструменты анализа строения вещества, позволят предложить и разработать ряд актуальных приложений таких пучков. Актуальность: За последнее десятилетие произошел технологический прорыв в получении новых пучков безмассовых и массивных частиц (фотонов, электронов, нейтронов) с нетривиальной топологией волнового фронта и фазами волновых функций: например, в 2011 г. электроны с орбитальным моментом были впервые сфокусированы в пятно размером 0.1 нм. Однако в этой области сложилась непривычная ситуация: эксперимент ушел далеко вперед по сравнению с теорией. Многочисленные потенциальные приложения таких пучков как в фундаментальных (атомная и ядерная физика), так и в прикладных исследованиях (нанотехнологии, физика новых материалов, физика ускорителей, биология, медицина и др.) активно обсуждаются научным сообществом, но упираются в отсутствие теории рассеяния и излучения нанометровых и субнанометровых волновых пакетов, поскольку традиционные модели развиты в приближении плоских волн. Такая теория крайне необходима для разработки практических применений этих новых “ультра-квантовых” состояний света и материи. Исследование фундаментальных физических процессов с такими пучками создаст предпосылки для развития соответствующих технологий. Научная новизна: Квантовая теория рассеяния и излучения нанометровых и субнанометровых пучков с фазами существенно расширит наше понимание фундаментальных физических процессов на атомном и субатомном уровне. Ее использование позволит построить модели взаимодействия частиц вне рамок плосковолнового и квазиклассического приближений. Без таких моделей невозможно эффективное применение новых хорошо сфокусированных “ультра-квантовых” состояний света и материи в фундаментальных и прикладных исследованиях. Данная теория также позволит разработать предложения по использованию пучков с заданными свойствами в качестве новых инструментов диагностики пучков ускорителей и поверхностей материалов с субнанометровым разрешением, создаст предпосылки для соответствующего развития индустрии новых наноматериалов, молекулярной и атомной спектроскопии, квантовой оптики, квантовой информатики и др.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Карловец Д.В. Relativistic vortex electrons: Paraxial versus nonparaxial regimes Physical Review A, vol. 98, pp. 012137-1 -- 012137-11 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevA.98.012137

2. Абдрашитов С.В., Богданов О.В., Казинский П.О., Тухфатуллин Т.А. Orbital angular momentum of channeling radiation from relativistic electrons in thin Si crystal Physics Letters A, Volume 382, Issues 42–43, Pages 3141-3145 (год публикации - 2018)
10.1016/j.physleta.2018.07.044

3. Карловец Д.В., Жевлаков А.С. Intrinsic multipole moments of non-Gaussian wave packets PHYSICAL REVIEW A, Vol. 99, pp. 022103-1 -- 022103-6 (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevA.99.022103

4. Карловец Д.В. Dynamical enhancement of nonparaxial effects in the electromagnetic field of a vortex electron PHYSICAL REVIEW A, Vol. 99, pp. 043824-1 -- 043824-7 (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevA.99.043824

5. Афанасьев А.В., Карловец Д.В., Сербо В.Г. Schwinger scattering of twisted neutrons by nuclei Physical Review C, vol. 100, pp.051601-1 --051601-5 (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevC.100.051601

6. Богданов О.В., Казинский П.О., Лазаренко Г.Ю. Semiclassical probability of radiation of twisted photons in the ultrarelativistic limit Physical Review D, Vol. 99, pp. 116016-1 -- 116016-29 (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevD.99.116016

7. Богданов О.В., Казинский П.О. Probability of radiation of twisted photons by axially symmetric bunches of particles THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL PLUS, Vol. 134, pp. 586-1 -- 586-13 (год публикации - 2019)
10.1140/epjp/i2019-13038-8

8. Богданов О.В., Казинский П.О., Лазаренко Г.Ю. Probability of radiation of twisted photons by cold relativistic particle bunches Annals of Physics, Vol. 415, pp.168116-1 -- 168116-29 (год публикации - 2020)
10.1016/j.aop.2020.168116

9. Карловец Д.В., Сербо В.Г. Effects of the transverse coherence length in relativistic collisions Physical Review D, Vol. 101, pp.076009-1 -- 076009-18 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevD.101.076009

10. Богданов О.В., Казинский П.О., Лазаренко Г.Ю. Proposal for experimental observation of the twisted photons in transition and Vavilov-Cherenkov radiations Journal of Instrumentation, Vol. 15, pp. C04052-1 -- C04052-7 (год публикации - 2020)
10.1088/1748-0221/15/04/C04052

11. Карбштайн Ф., Мосман Е.А. Photon polarization tensor in circularly polarized Hermite- and Laguerre-Gaussian beams Modern Physics Letters A, Vol. 33, Nos. 7 & 8, pp. 1850044 (год публикации - 2018)
10.1142/S021773231850044X

12. Карловец Д.В. Quantum scattering beyond the plane-wave approximation Journal of Physics: Conference Series, vol. 938, pp. 012031 (год публикации - 2017)
10.1088/1742-6596/938/1/012031

13. Карбштайн Ф., Мосман Е.А. Photon polarization tensor in pulsed Hermite- and Laguerre-Gaussian beams PHYSICAL REVIEW D, Vol. 96, pp. 116004-1 --116004-9 (год публикации - 2017)
10.1103/PhysRevD.96.116004

14. Богданов О.В., Казинский П.О., Лазаренко Г.Ю. Probability of radiation of twisted photons by classical currents PHYSICAL REVIEW A, Vol. 97, pp. 033837 (год публикации - 2018)
10.1103/PhysRevA.97.033837

Публикации