Only Perception: 電子的微波引導

2011-05-11

電子的微波引導

Microwave guiding of electrons
http://www.physorg.com/news/2011-05-microwave-electrons.html

May 10, 2011

德國 Max Planck 研究所的科學家首度藉由純粹的電場達成電子的引導。

電子特性的研究在自然基礎定律的理解上扮演了關鍵的角色。然而，電子既小又快，難以控制。 Dr. Peter Hommelhoff，位於 Max Planck 量子光學研究所的 Max Planck 研究小組「Ultrafast Quantum Optics（超快量子光學）」的主管，及其身邊的科學家，現在證明，藉由施加一微波電壓（microwave voltage）到電極上（那在平面基質上製成），他們能有效引導慢電子（slow electrons）（Physical Review Letters, Advance online publication, 9 May 2011）這種新的電子引導技術 -- 那類似在光纖中的光波引導 -- 可望有種種應用，從受引導的物質波實驗到非侵入式電子顯微鏡。

電子是第一個展現出如波一般特性的基本粒子，也因而在量子力學理論的發展上相當重要。即便現在，電子的觀察都能導致對物理學的基礎定律產生新洞見。涉及受限電子的測量到目前為止主要都是在所謂的 Penning traps（潘寧阱）中完成，那結合了一個靜電場與一個振盪電場。對數種利用傳播型電子（propagating electrons）所進行的實驗，例如慢電子的干涉測量來說，若由一個純電場來侷限電子，將有不少優勢。這能以交流四極式電位（ alternating quadrupole potential）達成，那類似離子捕捉所用的標準技術。這些所謂的 Paul traps（保羅阱）是以四個電極為基礎，其上施以一射頻電壓（radiofrequency voltage）。所產生的場會產生一驅力，那使粒子維持在阱的中央。Wolfgang Paul 因為這些阱的發明而在 1989 年獲頒諾貝爾物理學獎。

數年前，科學家以標準的微電子晶片技術，在平面基質上實現具微結構電極的 Paul traps。Dr. Hommelhoff 及其小組現在第一次這種方法應用到電子上。因為這些點狀粒子的質量只有一個離子質量的數十萬分之一，所電子對於電場的反應要比相對較重的離子快。因此，為了要引導電子，施加到電子上的交流電壓頻率得要比離子的侷限高很多，而這在微波範圍，約在 1 GHz。

在實驗中，電子於某個熱源中產生（裡面的鎢絲與在燈泡內一樣被加熱），發射出來的電子會利用一道只有幾電子伏特的射束進行校準。從這裡，電子被注入「波導」中。波導由平面基質上的五個電極產生，而這些電極上面都施以頻率約在 1 GHz 的交流電壓（見圖一）。這在電極上方半公釐的距離，誘發一個振盪的四極電場（quadrupole field），這使電子侷限在徑向（radial direction）內。在縱向上，並沒有力作用在粒子上，所以它們能自由地沿著「引導管（guide tube）」行進。因為在徑向上的限制非常強，電子被迫遵循電極的定向變化，即便那些變化很小。

為了使這種效應更加顯著，37 mm 長的電極被彎成開角 30 度、撓曲半徑為 40mm 的曲線。在此結構末端，受引導的電子被射出，並由偵測器紀錄。如圖二(b)所示，由引導電子所引發的亮點出現在引導管出口右側的偵測器上，引導管位於圖片左半部。當交流電場關閉時，一個更加模糊的發亮區域顯現在右側（圖二(c)）。那是因為電子從源頭噴出，沿著筆直的軌跡線落在基質上。

"透過這項基礎實驗，我們能夠證明，電子可有效地受到純電場引導，" Dr. Hommelhoff 說。"然而，當我們的電子源產生一個不怎麼平行的電子束時，我們仍喪失許多電子。" 在未來，研究者計畫要將這種新的微波引導與基於場發射（那來自於只有原子大小的金屬尖端）的電子源結合。這些裝置所傳遞的電子束如此準直，以至於它們的橫斷部份只受到 Heisenberg 測不準原理所限。

在這些條件下，那應足以在波導的徑向電位（radial potential）內研究電子獨特的量子力學振盪。"在我們實驗內所觀察到的電子強烈侷限意味著從某個量子態「躍遷」鄰近更高的量子態需要許多能量，而這不太可能發生，" Johannes Hoffrogge 解釋，此實驗的博士生。"一旦單一量子態的粒子數增加（populated），那將會維持一段時間，而且能用來做一些量子實驗。" 這將使得利用受引導的慢電子，進行像干涉測量這樣的量子物理實驗成為可能。在這樣的實驗中，電子的波函數首先分裂，接著它的二個部份會再度聚集，據此，就能產生電子量子態的特徵疊加（characteristic superpositions）。但這種新方法亦能應用到新型態的電子顯微鏡上。

※ 也許可以拿來玩核融合。

＊ Microwave Guiding of Electrons on a Chip
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.106.193001