OscDep

Методы измерений, основанные на квантовых эффектах

Материал из OscDep.

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

  1. 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.
  2. 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
  3. Туннелирование в мезоскопических и наноскопических структурах. Эффект кулоновской блокады электронного туннелирования. Квантовый стандарт тока. Одноэлектронный транзистор-электрометр с субэлектронной чувствительностью.
  4. 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.
  5. Туннельные явления в переходах, образованных сверхпроводниками. Эффекты Джозефсона. Резистивная модель джозефсоновского перехода. Явления квантовой интерференции в сверхпроводниках.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. Мазер как усилитель. Мазер как генератор высокостабильных электромагнитных колебаний. Факторы, определяющие нестабильность частоты мазера. Ширина линии генерации. Водородный мазер. Цезиевые стандарты частоты.
  10. Ридберговские состояния атомов. Мазер на одном атоме. Генерация неклассических состояний электромагнитного поля. Эффекты квантовой электродинамики в резонаторах электромагнитных колебаний.
  11. 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.
  12. Планковские единицы основных физических величин. Соотношения единиц Стони и Планка. Вселенная в планковских единицах. Роль планковских единиц в современной физике.


Программа курса в формате PDF

Личные инструменты