1、“粒子的陷阱” 为什么会获得诺贝尔奖?,中国科技大学 汪克林,西南科技大学 刘涛,1992 年德国物理学家 Paul 因为成功实现了把少数微观粒子囚禁住的实验装置 Paul 阱，从而荣获诺贝尔物理学奖。,为什么这样的装置如此重要？它有何重要意义？,. 光波还是粒子?,1)牛顿的光的微粒说,反射,折射,2）惠更斯的波动说,2）惠更斯的波动说,惠更斯的波动学说不仅很好地解释了光的干涉和衍射现象，而且也成功解释了光的反射现象。从此以后光的波动说确立了很长一段时间,3）爱因斯坦的光子说,二十世纪初出现了意想不到的转折光电效应实验,疑问：如果光是波动，则光越强给电子的能量越大，电子越容易克服脱出功而逃出
2、金属。但实验并非如此，只要光的频率不到0，电子就不会出来。可见光的波动说又动摇了。,光由微粒组成，每一微粒具有能量,越大，光子能量越大，传给电子能量越多。当,（脱出功）,时电子便会逸出。,问题： 我们是否又回到牛顿的微粒说？ 光的明显的波动性又怎样解释？,. 波粒二象性,波粒二象性： 光由光子组成，每个光子的动量和 能量与其波矢和频率的关系为,波的意义是粒子在空间出现的几率按波振幅大小而定，因而会出现干涉，衍射等。,1),2) 双缝实验,按量子理论：不仅光有波粒二象性，而且电子也有波粒二象性。换句话说，一束电子通过双缝后打在屏上也会出现同样的干涉花样。,(3) 质疑量子理论与拥护量子理论者之争
3、,质疑者：,电子束通过双缝后，由于电子束中含有大量电子，它们之间有相互作用，所以也会产生这样的“干涉” 现象。,量子论：,当这一束电子的密度越来越小，以至于是一个一个地过来时，难道还有相互作用引起的干涉吗？,质疑者：,那麽，请问当一个电子过来时，荧光屏上会如何显示？,一个电子过来时，按几率波的解释，屏上只会出现一个亮点并且出现在何处是无法确定的。他在每一处都有一定的几率出现。不过如把许多的亮点叠加起来就会成为一个“干涉”花样。,量子论：,一个电子过来时，按几率波的解释，屏上只会出现一个亮点并且出现在何处是无法确定的。他在每一处都有一定的几率出现。不过如把许多的亮点叠加起来就会成为一个“干涉”花
4、样。,量子论：,量子理论在上世纪初提出后经过近一个世纪的检验，不仅证明其正确性，而且今天几乎所有的高科技领域都得益于它的理论而得到巨大的发展，特别是微电子技术有关的各领域。但几乎所有的检验都是大量粒子的间接验证，人们一直在期盼直接检验单个粒子和少数粒子的量子行为！,结论：,. 单粒子的量子行为实验,1) 野兽的陷阱,1) 野兽的陷阱,2) 粒子的陷阱,和野兽的陷阱道理一样，如果能做成一个粒子的陷阱把粒子囚禁起来，则可以完成对个别粒子的量子行为的研究。,问：,Paul 之前，有没有类似的装置？,加速器 二维陷阱,a)加速器装置图,b)加速器里的粒子束在运行过程中，当粒子束变宽时，磁场将其变窄。,
5、聚焦磁极,b)加速器里的粒子束在运行过程中，当粒子束变宽时，磁场将其变窄。,聚焦磁极,Paul 提出三维阱的想法理论上的困难。,如何囚禁住粒子，在三个方向加势(力)。,真的这样简单吗？,以二极场为例：,一般场总是电磁势，按麦克斯韦方程，在无荷空间里应有泊桑方程：,如选,则有,于是,结论：如设计在X,Y 两方向是囚禁势（力向内），,则Z方向将不是囚禁势（力向外）。,二维陷阱可行，三维陷阱不行！,或,Pall 注意到过去物理学家已想过的办法,所加的势的振幅改成一部分与时间无关，一部分随时间作周期性变化，即,这样每一方向都有振幅的大小周期变化。,这样做以后，能囚禁住粒子吗？,根据所设的三维势,按力学
6、规律，粒子的（r, z）满足,这是数学家早就研究过的Mathieu方程。,数学家的结论,存在稳定解：,随着时间的变化，r 及 z 总在一有限区域内变化即粒子只在一个有限的区域内运动被囚禁住。,存在不稳定解：,随着时间的变化，r 及 z 的值会无限增大，粒子不会被囚禁住。,稳定解或不稳定解取决于参量U,V,的选择。得到稳定解的参量区域叫稳定区。,稳定区指导实验装置的设计,Paul阱的实验装置图,陷阱的量子理论经典，量子稳定区的比较。,以上的讨论是以经典理论为例阐明其物理机制，但粒子本来应满足量子理论。,P.R.A 52 (1995) 1419 Wang K.L and Mang Feng P.L
7、.A 197 (1995) 135 Mang Feng and Wang K.L,. 从粒子陷阱引出的畅想,1）人造材料及STM(电子隧道扫描电镜),STM的工作原理,. 从粒子陷阱引出的畅想,1）人造材料及STM(电子隧道扫描电镜),STM的工作原理,STM作为人造材料（改造）的工具,STM作为人造材料（改造）的工具,不足之处：“起重机”针尖不稳定，机械操作。,2）光镊技术,镊子的工作,生物组织,光镊,活细胞,激光（电磁场产生光压）,3）结合STM的实验目标和光镊的原理,移动的Paul 阱作为人造材料的生产手段。,3）结合STM的实验目标和光镊的原理,移动的Paul 阱作为人造材料的生产手段。,4）系列的Paul 阱作成量子计算机,任何一个二态的微观客体可以作为量子计算机的bit（自旋,二能级 ),系列 Paul 微阱,END,疑问：如果光是波动，则光越强给电子的能量越大，电子越容易克服脱出功而逃出金属。但实验并非如此，只要光的频率不到0，电子就不会出来。可见光的波动说又动摇了。,光由微粒组成，每一微粒具有能量,越大，光子能量越大，传给电子能量越多。当,（脱出功）,时电子便会逸出。,
