Quantenreflexion


Quantenreflexion

Quantenreflexion ist ein physikalisches Phänomen von der Reflexion einer Materiewelle an einem anziehendem Potential. In der klassischen Physik ist ein solches Phänomen nicht möglich. Zum Beispiel würde man bei zwei sich anziehenden Magneten nicht erwarten, dass ein Magnet plötzlich (z. B. kurz vor deren Berührung) in die entgegengesetzte Richtung abgestoßen wird.

Definition

Quantenreflexion wurde zu einem wichtigen Feld in der Physik des 21. Jahrhunderts. In einem Workshop über Quantenreflexion[1] wurde die folgende Definition vorgeschlagen:

“ Quantum reflection is a classically counterintuitive phenomenon whereby the motion of particles is reverted “against the force” acting on them. This effect manifests the wave nature of particles and influences collisions of ultracold atoms and interaction of atoms with solid surfaces. ”

„Quantenreflexion ist ein der klassischen Intuition widersprechendes Phänomen, bei dem die Bewegung eines Teilchens „entgegengesetzt der angreifenden Kraft“ umgekehrt wird. Dieses Phänomen bestätigt den Wellencharakter von Teilchen und beeinflusst Zusammenstöße zwischen ultrakalten Atomen sowie die Wechselwirkung von Atomen mit Festkörperoberflächen.“

Die Beobachtung von Quantenreflexionen wurde durch Fortschritte im Festhalten und Kühlen von Atomen möglich. Die Anwendung dieses Effektes hat erst begonnen und beinhaltet vielversprechende Anwendungen.

Eindimensionale Näherung

Normalerweise betrachtet man zunächst den eindimensionalen Fall dieses Phänomens. Das Potential besitzt also Translationssymetrie in zwei Richtungen (z. B. $ y $ und $ z $), so dass nur eine einzige Koordinate ($ x $) von Bedeutung ist. In diesem Fall können wir die Reflexion eines langsamen neutralen Atoms durch eine Festkörperoberfläche betrachten.[2][3] Das Atom sei im freien Raum in der Nähe der Oberfläche und sei polarisierbar. Eine Kombination der reinen Van-der-Waals-Wechselwirkung mit der dazugehörigen Casimir-Wechselwirkung bewirkt eine Anziehung des Atoms zur Materialoberfläche. Hierbei dominiert die zweite Kraft im Bereich größerer Abstände von der Oberfläche, während erstere die Wechselwirkung bei geringem Abstand bestimmt. Der Übergangsbereich ist nicht klar definiert, da er von der spezifischen Natur und dem Quantenzustand des nähernden Atoms abhängt.

Die Reflexionsbedingung für das Atom im Bereich des anziehenden Potentials kann für die Raumbereiche angegeben werden, in denen die WKB-Näherung der atomaren Wellenfunktionen zusammenbricht. Wir schreiben in Übereinstimmung mit dieser Näherung die Wellenlänge der allgemeinen Bewegung des atomaren Systems in Richtung Oberfläche quantitativ lokal für jeden Bereich entlang der $ x $-Achse,

$ \lambda\left(x\right)=\frac{h}{\sqrt{2m\left(E-V\left(x\right)\right)}} $

wobei $ ~m~ $ die atomare Masse, $ ~E~ $ seine Energie und $ ~V(x)~ $ das Potential ist. Es ist klar, dass die Größe keine Bedeutung in Bereichen hat, in denen

$ \left|\frac{d\lambda\left(x\right)}{dx}\right|\sim 1 $

Das bedeutet, dass in Bereichen des Raumes, wo die Variation der atomaren Wellenlänge signifikant über seiner eigenen Länge (z. B. wenn der Gradient $ V(x) $ sehr steil ist) liegt, die Näherung einer lokalen Wellenlänge keinen Sinn ergibt. Dieser Zusammenbruch entsteht unabhängig vom Vorzeichen des Potentials, $ V(x) $. In diesen Bereichen können Teile der atomaren Wellenfunktion reflektiert werden. Eine solche Reflexion ist für langsame Atome im Bereich der vergleichsweise schnellen Variation des Van-der-Waals-Potential nahe der Materialoberfläche möglich. Das Phänomen ist vergleichbar mit der Situation, wenn Licht von einem Material in einem kleinen Raumbereich in ein anderes Material mit signifikant anderem Brechungsindex übergeht. Unabhängig vom Vorzeichen der Differenz der Brechungsindices gibt es eine Reflexionskomponente des Lichtes von der Übergangsstelle. Die Quantenreflexion der Oberfläche eines Festkörperwafers ermöglicht eine quantenoptische Analogie zu einem Spiegel – dem atomaren Spiegel – in hoher Präzision.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Quantum Reflection, workshop; October 22–24, 2007, Cambridge, Massachusetts, USA; http://cfa-www.harvard.edu/itamp/QuantumReflection.html
  2. F. Shimizu: Specular Reflection of Very Slow Metastable Neon Atoms from a Solid Surface. In: Physical Review Letters. 86, 2001, S. 987–990. doi:10.1103/PhysRevLett.86.987.
  3. H. Oberst, Y. Tashiro, K. Shimizu, F. Shimizu: Quantum reflection of He* on silicon. In: Physical Review A. 71, 2005, S. 052901. doi:10.1103/PhysRevA.71.052901.