Методы измерений, основанные на квантовых эффектах
5 курс, 10 семестр, 32 часа
Лектор: профессор В.П. Митрофанов
МЕТОДЫ ПРЕЦИЗИОННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ, ОСНОВАННЫЕ НА КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТАХ
Учебное пособие по спецкурсу для магистров
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.