Просмотр кода страницы Методы измерений, основанные на квантовых эффектах

5 курс, 10 семестр, 32 часа<br>
Лектор: профессор [[Митрофанов Валерий Павлович|В.П. Митрофанов]]

__NOTOC__

==МЕТОДЫ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ, ОСНОВАННЫЕ НА КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТАХ==

===Краткая аннотация===

В курсе рассматриваются устройства и методы измерений различных физических величин, основанные на эффектах, имеющих принципиально квантовую природу, и относящихся как к  макроскопическим объектам, так и отдельным атомам и молекулам.  Их применение позволяет значительно улучшить метрологическую точность и разрешение в физических экспериментах и технических приложениях. Эти устройства условно разделены на несколько групп. К ним относятся различные устройства, основанные на туннельном эффекте, основанные на квантовых эффектах в сверхпроводниках; измерительные системы, оперирующие с единичными атомами и ионами, удерживаемыми в ловушках, одноэлектронные устройства  и мазерные системы, в том числе на отдельных атомах. Специальное внимание уделяется рассмотрению физической сущности и анализу квантовых явлений, лежащих в основе этих измерительных систем. 

===Разделы курса===
# Туннельный эффект и его применение в измерительных системах. Туннелирование электронов через изолятор между металлами. Туннельный магниторезистивный эффект. Туннельный преобразователь перемещений. Его обратное динамическое и флуктуационное влияние. Стандартный квантовый предел чувствительности в измерениях с туннельным преобразователем. 
# Туннельная микроскопия. Принцип действия и устройство сканирующего туннельного микроскопа. Атомно-силовой микроскоп и его использование в физических исследованиях. Зондовая микроскопия, и ее применение в экспериментальной физике и технике 
# Туннелирование в мезоскопических и наноскопических структурах. Эффект кулоновской блокады электронного туннелирования. Квантовый стандарт тока. Одноэлектронный транзистор-электрометр с субэлектронной чувствительностью.
# Явление сверхпроводимости и его описание. Сверхпроводники первого и второго рода. ВТСП. Электродинамика сверхпроводников. Волновая функция сверхпроводящего конденсата. Уравнение Лондонов. Глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник. Квантование магнитного потока в сверхпроводниках. Сверхпроводящие резонаторы в измерительных системах.
# Туннельные явления в переходах, образованных сверхпроводниками. Эффекты Джозефсона. Резистивная модель джозефсоновского перехода. Явления квантовой интерференции в сверхпроводниках.
# Квантовая магнитометрия. Принцип работы и схемы включения сквидов. Шумы сквида и его предельная чувствительность. Использование сквидов для измерения малых токов и напряжений. Джозефсоновские зарядовые и фазовые кубиты.
# Спектроскопия одиночных атомов и молекул. Ловушки для атомов и ионов. Ловушки Пауля и Пеннинга. Магнитные ловушки. Охлаждение атомов радиационным давлением лазерного излучения. Предельная температура охлаждения. Магнито-оптические ловушки. Бозе-Эйнштейновская конденсация. 
# Молекула аммиака как пример двухуровневой системы. Стационарные состояния.  Молекула аммиака в статическом электрическом поле. Разделение состояний. Взаимодействие молекул с  электромагнитным полем. Частота Раби. Аммиачный мазер.
# Мазер как усилитель.  Мазер как генератор высокостабильных электромагнитных колебаний. Факторы, определяющие нестабильность частоты мазера. Ширина линии генерации. Водородный мазер. Цезиевые стандарты частоты.
# Ридберговские состояния атомов. Мазер на одном атоме. Генерация неклассических состояний электромагнитного поля. Эффекты квантовой электродинамики в резонаторах электромагнитных колебаний.
# Система единиц СИ и эталоны основных физических величин.  Измерение постоянной Планка с помощью эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла. Эталон килограмма, основанный на квантовых эффектах. Перспективы создания «полностью квантовой» системы СИ.
# Планковские единицы основных физических величин. Соотношения единиц Стони и Планка. Вселенная в планковских единицах.  Роль планковских единиц в современной физике.

===ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА===

# Ландау Л.Д. и Лифшиц Е.М.  Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М., Физматлит, 2001.
# Braginsky V.B., Vorontsov Yu.I., Thorne K.S. Quantum Nondemolition Measurements Science, 209, p. 547, 1980.
# Володин А.П. Новое в сканирующей микроскопии. ПТЭ, № 6, 3, 1998.
# Лифшиц Е.М. и Питаевский Л.П. Статистическая физика, часть 2. М. Физматлит, 2001.
# Введенский В.Л., Ожогин В.И. Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм. М., Наука, 1986.
# Клышко Д.Н. Физические основы квантовой электроники. М., Наука, 1986.
# Пиппард А. Физика колебаний, квантово-механические системы. М., Высшая школа, 1986.
# Скалли М.О., Зубайри М.С. Квантовая оптика, Физматлит, 2003.
# Вальтер Г. Одноатомный мазер и другие эксперименты квантовой электродинамики резонаторов, УФН, 166, 777, 1996.
# Багаев С.Н., Чеботаев В.П. Лазерные стандарты частоты, УФН, 148, 143, 1986.
# Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения. – М.: ФИЗМАТЛИТ. – 2009

===ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА===

# Зоммерфельд А. Электронная теория металлов. М., Л., 1938.
# Chappert C, Fert A., Nguyen Van Dau F. The emergence of spin electronics in data storage //  Nature Publishing Group, 2007, p.813-823.
# Ileda S. et al. Tunnel magnetoresistance of 604% of 300 K by suppression of Ta diffusion in CoFeB/MgO/CoFeB pseudo-spin-values annealed at high temperature // Appl. Phys. Lett.,  2008, 93, 082508. 
# Митрофанов В.П., Якимов В.Н. Стандартный квантовый предел при измерении малых сил с использованием туннельного датчика // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Физика, астрономия. 30 (4), с. 36, 1989.
# Presilla C., Onofrio R., Bosko M.F. Uncertainty-principle noise in vacuum-tunneling transducer // Phys. Rev. B 1992, V.45, P. 3735.
# Averin D.V.and Likharev K.K,  Coulomb blockade of tunneling, and coherent oscillations in small tunnel junctions //J. Low Temp. Phys., 1986, v. 62, pp. 345-372, 
# Hartwig W.H. Superconducting  resonators and devices // Proc. IEEE 1973, v.61, p. 58-69.
# Hofheinz M. et al. Sinthesizing arbitrary quantum states in a superconducting resonator // Nature, v.459, p. 546-549.
# Watanabe T., Watanabe S., Ikeda T. et al. Design of highly-sensitive current monitor with HTS squid and HTS magnetic shield // Proceedings of  EPAC 2002, Paris, France, p. 1995-1997.
# Makhlin Yu, .Schon G, .Shirman A. Quantum – state engineering with Josephson-junction devices // Rev. Mod. Phys.,2001, V. 73, P.357 - 400.
# Фейнман Р., Лейтон Р., Сэнлс М. Фейнмановские лекции по физике: Пер.с англ.  Т. 6, Электродинамика. М.: Мир. 344 с.
# Quinn T.J. Base Units of the Système International d`Unitès, their Accuracy, Dissemination and International Traceability // Metrologia. 1994/1995. V. 31. P. 515-527. 
# Paul W. Electromagnetic traps for charged and neutral particles // Rev. Mod. Phys. 1990, v. 62, № 3, p. 531-540.
# Brown  L. S., Gabrielse G. Geonium theory: Physics of single electron or ion in a Penning trap.// Rev. Mod. Phys. 1986. V.58, P. 233. 
# Cohen-Tannoudji C.N. Manipulating atoms with photons // Rev. Mod. Phys., 1998. v. 70, p. 707, 
# Cornell E.A., Wieman C.E. Nobel Lecture: Bose-Einstein condensation in a dilute gas, the first 70 years and some recent experiments // Rev. Mod. Phys. 2002, v. 74, № 3, p.875
# Фон Клитцинг К. Квантовый эффект Холла: Нобелевские лекции по физике –1985 г. // УФН 1986, Т. 150. Вып. 1, С. 107-126.
# Keller M.W. Current status of the quantum metrology triangle // Metrologia, 2008, v. 45, p. 102-109.
# Williams E.R. Steiner R.L., Newell D.B. and Olsen P.T. Accurate Measurement of the Planck Constant // Phys. Rev. Lett., 1998, v.81, p. 2404-2407.
# Mohr P.J. Defining units in the quantum based SI // Metrologia, 2008, v. 45,  p. 129-133.

[[Медиа:ProgramSC3 Mitrofanov.pdf |Программа курса в формате PDF]]