Физики из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) предложили математическую модель, которая позволяет ускорять закрученные электроны до огромных скоростей, сохраняя их квантовые "вихревые" свойства. Работа поддержана грантом РНФ и опубликована в Physical Review Letters.
Что такое закрученные электроны?
Обычные электроны в ускорителе просто летят по кругу под действием магнитных полей. Закрученные — это нечто иное. Они создают вокруг траектории движения своего рода квантовый водоворот: плотность вероятности вращается, как воронка. Такие частицы уже используют в электронных микроскопах для изучения магнитных свойств материалов.
В чем была проблема?
До сих пор ученые не могли разогнать закрученные электроны до скоростей, близких к световой, без потери этой самой "закрученности". Из-за этого было невозможно использовать их в коллайдерах и изучать на их основе тонкие квантовые эффекты — когерентность, запутанность и другие явления, которые в будущем могут пригодиться в микроскопии и квантовой оптике.
Что предложили петербургские физики?
Команда исследователей проанализировала два главных процесса, которые грозили разрушить "закрученность":
- Потеря энергии на фотоны. Заряженная частица в ускорителе неизбежно испускает фотоны и теряет энергию. Ученые опасались, что вместе с энергией уйдет и закрученность. Расчеты показали: этого практически не происходит. Потеря закрученности минимальна.
- Влияние магнитного момента. У электрона есть магнитный момент (как крошечная стрелка компаса). Он взаимодействует с полями ускорителя и может "сбить" закрученное движение. У закрученных электронов этот эффект возникает при энергиях в 147 раз меньших, чем у обычных.
Как сохранить закрученность?
Чтобы избежать разрушительного влияния магнитного момента, ученые предлагают два пути:
- Использовать линейные ускорители вместо кольцевых. В них этой проблемы просто нет.
- Применять специальные устройства — "Сибирские змейки" (разработаны в ИЯФ СО РАН, Новосибирск). Они периодически "переворачивают" магнитный момент частицы, корректируя ее движение.
Зачем это нужно?
Если выводы подтвердятся экспериментально, закрученные электроны можно будет разгонять в ускорителях до релятивистских скоростей. Это откроет доступ к новым квантовым явлениям и сделает электронную микроскопию еще более мощной. Следующий шаг — проверка модели в реальных экспериментах на ускорителях.