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 17-72-20013

НазваниеКвантовая динамика пучков с фазами и её приложения

РуководительКарловец Дмитрий Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2020 - 06.2022

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда 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 словаКвантовая 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

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Различные задачи квантовой 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 (состояние “кота Шрёдингера”) и др. “Закрученные” фотоны с орбитальным моментом уже позволили существенно повысить размерность квантового запутывания пар, привели к созданию нового типа оптических пинцетов, применяемых в биологии и медицине, в том числе на ТГц лазере на свободных электронах в Новосибирске. Генерация электронов и нейтронов в подобных квантовых состояниях за последние 10 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. В 2017 г. были впервые получены электроны с угловым 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 негауссовым профилем, определяемым фазой волновой функции: оптические и электронные пучки Эйри (последние получены в 2013 г.) и их различные обобщения. Это позволяет говорить о Новой эпохе в квантовой физике, когда экспериментально реализованные состояния частиц не могут быть описаны плоскими волнами или даже гауссовыми пучками. Хотя соответствующие решения волновых уравнений хорошо известны, применение таких пучков в физических приложениях упирается в отсутствие развитой квантовой теории рассеяния нанометровых и субнанометровых пакетов, их излучения во внешних электромагнитных полях и средах. Привычные “плосковолновые” модели неприменимы в режиме, когда размер пучка соизмерим с радиусом атома водорода. Именно с этим ограничением в атомной физике недавно столкнулся целый ряд научных групп. Негауссовые пучки с фазами оказываются более чувствительными к внутренним степеням свободы атомов и молекул, а также искусственных наноматериалов, в том числе метаматериалов с заданными свойствами, что делает их потенциально полезными для индустрии наносистем (где закрученные электроны уже применяются), а также для целей микроскопии с субнанометровым разрешением, дефектоскопии, атомной и ядерной физики. Основываясь на результатах проекта 2017-2020, мы планируем разработать новые методы генерации негауссовых пучков на установках, доступных в российских научных учреждениях. Речь идёт, прежде всего, о фотонах с угловым моментом в рентгеновском диапазоне и электронах с угловым моментом в широком диапазоне энергий. На сегодняшний день не существует экспериментально реализованного метода получения жестких рентгеновских фотонов с угловым моментом, хотя данные фотоны были бы востребованы как в прикладных, так и в фундаментальных исследованиях. Наши результаты показывают, что генерация таких фотонов с энергиями вплоть до гамма диапазона возможна на ускорителях частиц на относительно умеренные энергии (до 10 МэВ для электронов). Мы планируем разработать новые методы генерации при взаимодействии заряженных частиц с материалами и, в частности, с жидкими кристаллами и другими периодическими структурами. Реализация данных методов может привести к созданию фабрики рентгеновских закрученных фотонов по аналогии с имеющейся фабрикой ТГц-ых фотонов в Новосибирске. Используя полученные в проекте 2017-2020 модели субнанометровых электронных пучков с угловым моментом, мы планируем разработать новые методы генерации таких пучков во внешних полях соленоидов, лазеров, ловушек Пеннинга и др. Данные устройства доступны во многих научных лабораториях, что может способствовать развитию исследований с негауссовыми пучками. Классические аналоги закрученных электронов -- пучки с доминированием углового момента хорошо известны в физике ускорителей и генерируются с использованием соленоидов. Мы планируем связать данную область с квантовой оптикой и электронной микроскопией и изучить возможности применения методов физики пучков ускорителей для генерации квантовых негауссовых пакетов частиц, в том числе закрученных электронов. Разработанные методы могут способствовать генерации негауссовых пучков не только на электронных микроскопах на относительно малые энергии (до 300 кэВ), но и на ускорителях на умеренно релятивистские энергии (несколько МэВ и выше). Актуальность: За последние 10-15 лет произошел технологический прорыв в получении новых пучков фотонов, электронов и нейтронов с негауссовым профилем: например, в 2011 г. электроны с угловым моментом были впервые сфокусированы в пятно размером 0.1 нм, а в 2017 г. были получены электроны с угловым моментом 1000ħ. 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, квантовая информатика), так и в прикладных исследованиях (физика новых наноматериалов и метаматериалов, дефектоскопия, физика ускорителей, биология, медицина и др.) активно обсуждаются научным сообществом, но упираются в отсутствие теории рассеяния и излучения нанометровых и субнанометровых пучков, поскольку традиционные модели развиты в приближении плоских волн. Такая теория крайне необходима для разработки практических применений этих новых квантовых состояний света и материи, в том числе для генерации пучков высоких энергий: прежде всего, рентгеновских фотонов и релятивистских электронов с угловым моментом. Исследования физических процессов с такими пучками могут создать предпосылки для развития соответствующих технологий, в том числе новых методов получения негауссовых пучков на электронных микроскопах и ускорителях частиц, доступных в российских лабораториях. Научная новизна: Физика негауссовых субнанометровых пучков использует методы и идеи квантовой оптики, электронной микроскопии, физики ускорителей и физики частиц, т.е. является в значительной степени междисциплинарным направлением с огромным потенциалом развития. Слабым местом, однако, являются высокие требования к когерентности источников таких частиц. Именно поэтому электроны с угловым моментом были реализованы только с помощью электронных микроскопов, но не ускорителей. Мы планируем разработать новые методы генерации негауссовых пучков с более широким диапазоном параметров (энергии и углового момента) с использованием значительно более широкого класса физических процессов -- от взаимодействия с периодической средой (решетки, жидкие кристаллы и др.) до взаимодействия с полями соленоидов, лазеров, ловушек Пеннинга и др. Реализация таких методов позволит создать фабрики негауссовых пучков высоких энергий: например, рентгеновских закрученных фотонов, релятивистских закрученных электронов, а также их различных обобщений. Разработка этих методов и их экспериментальная реализация могут создать предпосылки для соответствующего развития индустрии наноматериалов и метаматериалов, дефектоскопии и микроскопии с субнанометровым разрешением, различных приложений в биологии, медицине и т.д.

Ожидаемые результаты
1. Новые модели квантовой динамики заряженных частиц в электромагнитных полях, позволяющие описывать эволюцию углового момента частиц. Новые данные о сохранении или несохранении углового момента в различных полях с азимутальной симметрией в зависимости от параметров пучка и поля. Данные модели позволят дать реалистичную картину взаимодействия закрученных частиц с полями соленоидов, лазеров, ловушек Пеннинга и т.д. Кроме того они позволят разработать новые методы генерации негауссовых пучков, в т.ч. закрученных электронов, для реалистичных параметров электронных микроскопов, ускорителей частиц и других установок, доступных во многих лабораториях. Это может привести к существенному расширению использования негауссовых пучков в фундаментальных и прикладных исследованиях физики наноматериалов и метаматериалов, микроскопии и дефектоскопии с субнанометровым разрешением, атомной и ядерной физики и т.д. 2. Новые данные о возможности ускорения негауссовых пучков заряженных частиц при сохранении углового момента до релятивистских энергий (несколько МэВ и выше для электронов). В настоящее время закрученные электроны генерируются на электронных микроскопах с максимальной кинетической энергией 300 кэВ. Разработка методов ускорения таких частиц может привести к проведению первых экспериментов по генерации закрученных электронов на ускорителях на умеренно релятивистские энергии. Такие ускорители доступны во многих российских учреждениях, что может способствовать формированию новых научных направлений и приложений негауссовых пучков в физике частиц и ядерной физике. Помимо прочего релятивистские закрученные электроны могут излучать жесткие закрученные фотоны в аксиально-симметричных полях или в прозрачных средах, т.е. также могут являться источником рентгеновского излучения с угловым моментом. 3. Новые модели взаимодействия негауссовых пучков заряженных частиц с веществом, в том числе с решетками и метаматериалами, а также новые данные по генерации излучения Смита-Парселла закрученными частицами. Поскольку надежные модели волновых пакетов заряженных частиц с угловым моментом были построены лишь за последние несколько лет, физика взаимодействия таких пучков с веществом как научное направление находится в стадии формирования. Вместе с тем исследования взаимодействия негауссовых пучков с поверхностями, наноструктурами, решетками, кристаллами и т.д. важны как с точки зрения понимания фундаментальных процессов, так и для разработки приложений. Различные типы излучения обычных пучков (переходное, излучение Вавилова-Черенкова, излучение Смита-Парселла и др.) используются для целей физики ускорителей, биологии, медицины, физики наноматериалов и т.д. Негауссовы пучки будут генерировать излучение с другими характеристиками -- так, одним из важных прикладных направлений может стать генерация жесткого рентгеновского излучения с угловым моментом как обычными, так и закрученными частицами. Другим важным вопросом является стабильность самих квантовых состояний частиц с угловым моментом при взаимодействии со средой. Исследование данной проблемы может помочь сформулировать пределы применимости используемых моделей расчета излучения и привести к разработке методов невозмущающей диагностики релятивистских закрученных пучков. 4. Новая модель для исследования излучения жестких закрученных фотонов при прохождении релятивистских пучков через периодические диспергирующие среды. Данная модель позволит разработать и описать новые схемы генерации когерентного излучения с большим угловым моментом. Будут исследованы фундаментальные свойства этого излучения, такие как правила отбора и правила сумм, позволяющие создавать яркие источники закрученных фотонов с заданными свойствами. Будет разработан компьютерный код для исследования спектров излучения в зависимости от формы и параметров пучка частиц и диспергирующей среды. С практической точки зрения результаты исследований могут быть использованы при создании фабрик закрученных фотонов от терагерцового до гамма диапазона. Свойства создаваемого излучения могут быть полезны для диагностики пучков и новых методов исследования наноматериалов, в микроскопии и при изучении вращательных степеней свободы и спектров молекул, атомов, ядер и адронов. Результаты исследования могут быть использованы для постановки новых экспериментов на современных и перспективных ускорителях заряженных частиц. 5. Новые данные о волновых функциях конечных состояний в излучении закрученных частиц и, в частности, в излучении Вавилова-Черенкова закрученным электроном. В подавляющем большинстве проводимых экспериментов излучение регистрируется детектором, проектирующим квантовое состояние конечного фотона на плоскую волну. В процессах с негауссовыми пучками и, в частности, с закрученными частицами возникает вопрос о состояниях конечных фотона и электрона как таковых, без привязки к детектору. Простейшие соображения из закона сохранения момента импульса позволяют предположить, что конечное 2-частичное состояние может во-первых быть запутанным, а во-вторых конечные частицы сами по себе могут по-прежнему нести угловой момент. Результаты данного исследования могли бы быть полезны для разработки новых методов генерации квантовых запутанных состояний электронов и фотонов (например, для целей квантовой информатики), а также других видов закрученных частиц (протонов, мюонов и т.д.) в широком диапазоне параметров. Генерация таких пучков протонов, мюонов и других частиц стандартными методами электронной микроскопии затруднена в виду их малой пространственной когерентности.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---