Ученые впервые доказали, что закрученные электроны — частицы, которые не просто вращаются в ускорителях, а создают своего рода квантовый водоворот, — можно разгонять до огромных скоростей без потери их квантовых свойств.
Такие частицы способны оказаться более эффективными по сравнению с обычными в электронной и ионной микроскопии высокого разрешения. Помимо этого, они дают возможность исследовать ранее недоступные квантовые эффекты на ускорителях и эффективнее изучать свойства ядерных сил. До настоящего момента не существовало надежной модели, которая описывала бы ускорение закрученных частиц и условия сохранения их закрученности. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Когда заряженную частицу (например, электрон) помещают в кольцевой ускоритель, она под действием магнитных полей с огромной скоростью вращается по кругу. Но есть и так называемые закрученные частицы: они не просто движутся вокруг внешнего центра, а создают квантовый водоворот. Их используют в электронных микроскопах для изучения магнитных свойств материалов.
До сих пор ученым не удавалось разогнать такие частицы в ускорителе до скоростей, близких к скорости света, сохранив их «закрученность». Из‑за этого было невозможно сталкивать их в коллайдерах и изучать неизвестные квантовые явления — например, квантовую когерентность и запутанность. А ведь эти явления в будущем могут найти применение в микроскопии, квантовой оптике и ускорительной физике.
Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) предложили математическую модель, которая объясняет, как сохранить «закрученность» частицы на высокой скорости. Авторы провели расчеты, описывающие поведение закрученных электронов в полях ускорителей. При этом исследователи описали два основных процесса, которые могут привести к потере «закрученности».
Во‑первых, заряженная частица в электромагнитном поле ускорителя теряет энергию, испуская фотоны. Ученые опасались, что закрученная частица при этом утратит и свою «закрученность», но расчеты показали: такого практически не происходит.
Во‑вторых, магнитный момент частицы (похожий на крошечную стрелку компаса) взаимодействует с полями ускорителя и может «сбивать» ее движение. У закрученных электронов такие сбои возникают при энергиях в 147 раз меньших, чем у обычных. Чтобы их избежать, ученые предлагают использовать линейные ускорители вместо кольцевых, где этой проблемы нет, применять «Сибирские змейки» (устройство, разработанное в Институте ядерной физики СО РАН в Новосибирске): они периодически «поворачивают» магнитный момент частицы и корректируют ее движение.
До сих пор не было надежной и общепринятой квантовой модели, описывающей движение закрученной частицы при высоких энергиях. Наши расчеты позволили детально проанализировать различные механизмы потери закрученности и предложить методы ее сохранения при значительном увеличении энергии частицы. В дальнейшем нам предстоит проверить правильность сделанных выводов в экспериментах на ускорителях.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что новый кубит поможет соединить квантовые компьютеры в сеть.
