Главная > Разное > Динамика и информация
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

43. Исследование эффекта Соколова

Для проверки теории и измерения величины и направления эффективного поля Е, были проведены специальные эксперименты [88]. Поскольку поле не является макроскопическим электрическим полем, а "измеряется" только возбужденными атомами водорода, то для определения его величины и направления была использована техника сравнения с обычным полем Е. Конструкция соответствующего экспериментального устройства изображена на рис. 22.

Эксперименты производились с помощью пучка возбужденных атомов водорода в суперпозиции Чтобы получить такой пучок, атомы пропускались через специальное устройство с высочастотным электромагнитным полем, которое гасило -атомы с полным моментом

Рис. 22. Схема эксперимента по измерению величины и знака "поля Демона" Е.

Энергия атомов пучка составляла

Поток атомов коллимировался щелью 1 в узкий пучок с толщиной 0,002 см и шириной 0,2 см. Затем он пропускался последовательно через систему I и систему II. Система I состояла из охраняющего электрода 2 с щелью 0,3 см и пластин 3,4 с щелями шириной 0,03 см. С помощью электрического поля в промежутке между щелями 3, 4 система I суперпозицию 2S-2P-состояний. Полученный пучок проходил через систему II, служившую анализатором. Она состояла либо из одиночной щели (рис. 23а), либо из пары щелей (рис. 236). В первой щели на атомы действует только поле варианте рис. 236 между пластинами 5 и 6 можно было создавать электрическое поле направленное либо по направлению пучка атомов, либо против их скорости.

Детектор жестко скреплен с системой II. Он может записывать интенсивность I излучения -квантов короткоживущей -компонентой пучка. Конструкция II, состоящая из пластин 5,6 и детектора

могла перемещаться вдоль направления пучка. Расстояние между пластиной 4 и анализатором II могло изменяться в пределах от нуля до 1,5 см. Смещая устройство II вместе с анализатором, можно измерять зависимость . В геометрии рис. 236 электрическое поле обрывается очень резко вблизи границ интервала между пластинами 5, 6, поскольку щели в этих пластинах являются очень узкими, см. Это обстоятельство позволило очень точно определить границу положений системы II при определении кривой При геометрии рис. 23а положение совпадает с соответствующей центральной вертикальной плоскостью геометрии рис. 236.

Рис. 23. Два варианта геометрии устройства II: с одной щелью без электрического поля (а) и с двумя щелями с продольным полем

Все пластины 7-7, а также другие элементы системы интерферометрии, были позолочены (с толщиной золотого покрытия 2-3 мкм).

Так как поле Е» существует практически при любой геометрии, то суммарное поле Е, действующее на атом внутри щели в промежутке 5-6, равно сумме полей Соответственно, возможны три комбинации полей: . В случае (3) пластины 5, 6 были замкнуты между собой и заземлены.

Под действием продольного поля Е происходит дополнительное когерентное подмешивание и -состояний атомов. Соответственно, при изменении расстояния интенсивность излучения осциллирует с пространственным периодом см. Здесь есть скорость атомов, — частота лэмбовского сдвига между уровнями Очевидно, что зависимость представляет собой типичную интерференционную картину.

При измерении интенсивности в каждой точке измерялись три значения интенсивности излучения, соответствующие указанным выше трем значениям поля Е. Кривые для геометрии рис. 236 достаточно хорошо аппроксимируются следующим эмпирическим соотношением:

Здесь А и В — некоторые константы, — разность потенциалов между пластинами — константа распада -атомов,

В выражении (279) первое слагаемое описывает свободно распадающиеся -атомы исходного пучка после прохождения системы I. Второе слагаемое возникает из-за подмешивания -состояний, создаваемых электрическим полем Е.

Пространственный период см совпадает с экспериментально измеренным значением. Рисунок 24 показывает, насколько хорошо выражение (279) аппроксимирует экспериментальные точки при значении электрического поля Соответствующее значение константы равно Поскольку экспериментальное значение величина Как видно из рис. 24, кривые с находятся в противофазе, а эффект Е, для геометрии рис. 236 оказывается очень

Рис. 24. Интерференционная картина, описываемая вторым слагаемым в интерполяционной формуле (279), и экспериментальные точки в конфигурации рис. 23в при трех значениях электрического поля:

малым. Итак, данный эксперимент позволяет найти константу В, т.е. провести калибровку эффекта по прилагаемому извне электрическому полю.

Во втором эксперименте пара пластин 5, 6 была заменена на одну-единственную щель 7 рис. 23а. При этом значение совпадает с плоскостью щели 7. Интерференционная картина в этом случае создается только полем Она представлена на рис. 25. Экспериментальные точки достаточно хорошо аппроксимируются вторым слагаемым в выражении (279) при следующих параметрах: см

Рис. 25. Картина интерференции в эксперименте с конфигурацией 23а, когда имеется только "поле Демона"

В третьем эксперименте определялась зависимость величины эффекта от расстояния пучка от поверхности металла. При этом использовалась только одна пластина с геометрией, аналогичной геометрии пластин 5, 6, в эксперименте рис. 236. Профиль пластины был опять прямоугольным, а расстояние между пучком и торцом пластины могло плавно изменяться. Экспериментальные точки для амплитуды -состояний в функции представлены на рис. 26. Как видно, эффект надежно наблюдается вплоть до значения .

Для сравнения теории и эксперимента воспользуемся соотношениями (273), (276).

В случае бесконечной горизонтальной поверхности металла интеграл (273) обращается в нуль, поскольку подынтегральное выражение антисимметрично по переменной Это значит, что для

величины эффекта важна конкретная геометрия металлических пластин. В частности, для геометрии эксперимента в конфигурации рис. 23 следует учитывать вклад от вертикальных стенок металлических пластин.

Рис. 26. Зависимость относительной амплитуды др состояний от расстояния между пучком и горизонтальной плоскостью металлического образца прямоугольной формы: сплошная линия — теоретический расчет при экспериментальном значении толщины пластины см; штриховая линия — расчет при — экспериментальные точки.

В общем случае имеем где представляют собой вклады от вертикальной и горизонтальной поверхностей соответственно:

Здесь в выражении (280), в выражении (281),

— ширина горизонтальной поверхности пластины вдоль направления движения атомов пучка, константа порядка одной десятой.

Пусть координата соответствует левой вертикальной границе образца прямоугольного сечения. Тогда с помощью (280), (281) получаем

где

При малых значениях Е и амплитуду -состояния можно считать равной единице, а для амплитуды состояния имеем уравнение

Помня, что мы можем проинтегрировать это уравнение для указанных на рис. 23 геометрических размеров пластин. В геометрии рис. 236 щель между пластинами 5, 6 является очень узкой, а в эксперименте рис. 23а очень острыми являются лезвия щелевой диафрагмы. Поэтому и в том, и в другом случае можно положить где — средняя точка между пластинами на рис. 236 или положение лезвий в эксперименте рис. 23а, а величина Решение уравнения (283) принимает при этом форму (279). Сравнивая результаты экспериментов рис. 236 и рис. 23а, находим эмпирическое значение для К, а именно, Отсюда следует Соответственно, полагая приближенно см находим экспериментальное значение константы Оно находится в удовлетворительном согласии с теоретической оценкой.

Третий эксперимент определил зависимость амплитуды от расстояния от пучка до металлического образца.

Эта зависимость может быть найдена теоретически, если учесть затухание амплитуды из-за распада в основное состояние. Для этого найдем решение уравнения (283) при

где а величина равна

Если подставить сюда выражения (282) для , то в общем случае образца прямоугольного сечения получаем выражение

где — дипольный момент -перехода, представляет собой толщину образца вдоль направления пучка, — расстояние точки наблюдения вдоль пучка от правой грани металлического образца. Функция в выражении (286) равна

где а функции описывают вклады от горизонтальной и вертикальных граней образца:

В эксперименте минимальное расстояние точки наблюдения от правой вертикальной границы образца было выбрано достаточно большим, см, чтобы быть уверенным в полном завершении процесса взаимодействия атома с пластиной металла. В этих условиях амплитуда зависит только от и но не от На рисунке 26 приведены результаты численного расчета величины нормализованной на значение при экспериментальном значении см. Как видно из рисунка, теоретическая кривая достаточно хорошо согласуется с экспериментальными точками, которые были получены в одних и тех же экспериментальных условиях при ступенчатом отодвигании пластины от пучка.

Анализ численных расчетов показывает, что зависимость от параметров является не очень сильной, так что главная зависимость эффекта от геометрии определяется "лэмбовской длиной волны" . В частности, штриховая линия на рис. 26, относящаяся к случаю имеет простую форму и ухватывает основную зависимость от Величина является очень большой в атомных масштабах, так что эффект Соколова относится к явлениям мезоскопики.

Как мы видим, эксперимент показывает, что величина положительна, как это следует из простой модели электронного газа. Главным для знака эффекта является знак дисперсии электронов и дырок вблизи поверхности Ферми. Теоретические расчеты этой дисперсии для золота [89] дают величину того же знака, что и в случае газовой модели.

Итак, сравнение эксперимента с теоретическими представлениями дает их удовлетворительное согласие. Тем самым подтверждается модель корреляционной связи возбужденного атома с электронами проводимости в виде гигантского количества ЭПР-пар с одним единственным первым партнером.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление