Математика квантового мира: как «трансряды» помогают понять туннелирование

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Мир, который мы видим, осязаем, ощущаем — это лишь вершина айсберга. Под поверхностью привычного скрывается квантовый мир, царство парадоксов и загадок. Здесь частицы ведут себя как волны, а волны — как частицы, время и пространство теряют свою привычную форму, а вероятность правит балом.

Туннелирование
Туннелирование
Автор: Designer

Квантовая механика, фундаментальная теория, описывающая микромир, разделяет физические явления на две категории: пертурбативные и непертурбативные. Пертурбативные явления, зависящие от постоянной Планка в простой форме, поддаются относительно легкому теоретическому описанию и экспериментальному наблюдению. Однако непертурбативные явления, такие как туннелирование, представляют собой значительную сложность для теоретического анализа.

Отражение и туннелирование электронного пучка, направленного на потенциальный барьер. Тусклое пятно справа от барьера — электроны, прошедшие сквозь барьер. Обратите внимание на интерференцию между падающими и отражающимися волнами.
Отражение и туннелирование электронного пучка, направленного на потенциальный барьер. Тусклое пятно справа от барьера — электроны, прошедшие сквозь барьер. Обратите внимание на интерференцию между падающими и отражающимися волнами.
Автор: Изначально этот файл был загружен участником Jean-Christophe BENOIST из французский Википедия. Перенесено с fr. wikipedia на Викисклад., CC BY-SA 3.0 Источник: commons.wikimedia.org

Туннелирование — это квантовый эффект, при котором частица преодолевает потенциальный барьер, который в классической физике был бы непреодолим. Этот феномен лежит в основе таких процессов, как радиоактивный распад, ядерный синтез и работа туннельных диодов.

Плоскость Бореля Bϕ: слева Sθ + ϕ и Sθ - ϕ, в середине их их разность discθ ϕ(x), а справа также разрыв, но теперь разложенный в контурах Ханкеля Hω
Плоскость Бореля Bϕ: слева Sθ + ϕ и Sθ - ϕ, в середине их их разность discθ ϕ(x), а справа также разрыв, но теперь разложенный в контурах Ханкеля Hω
Автор: Alexander van Spaendonck, Marcel Vonk SciPost Phys. 16, 103 (2024) · published 12 April 2024 doi: 10.21468/SciPostPhys.16.4.103 CC-BY 4.0 Источник: scipost.org

Исторически сложилось так, что описание туннельных явлений требовало различных математических подходов, что затрудняло создание единой теоретической основы для их изучения. Однако недавние исследования, опирающиеся на математический аппарат, разработанный Жаном Экалем в 1980-х годах, предлагают новый подход к унификации описания туннельных явлений.

Набросок плоскостей Бореля квантового A-периода t(E;ħh) слева и квантового B-периода tD(E;ħh) справа. Сингулярности равномерно распределены и продолжаются неограниченно
Набросок плоскостей Бореля квантового A-периода t(E;ħh) слева и квантового B-периода tD(E;ħh) справа. Сингулярности равномерно распределены и продолжаются неограниченно
Автор: Alexander van Spaendonck, Marcel Vonk SciPost Phys. 16, 103 (2024) · published 12 April 2024 doi: 10.21468/SciPostPhys.16.4.103 CC-BY 4.0 Источник: scipost.org

Центральным элементом этого подхода являются «трансряды» — обобщенные степенные ряды, включающие экспоненциальные и логарифмические члены. Трансряды позволяют представить волновую функцию частицы в виде суммы, где каждый член соответствует определенному пути туннелирования.

Слева кубический потенциал, а справа те же три поворотные точки в комплексной x-плоскости, с соответствующими циклами γA и γB по которым можно проинтегрировать, чтобы получить A- и B-периоды. Черные волнистые линии - это квадратные корни срезы ветвей квадратного корня.
Слева кубический потенциал, а справа те же три поворотные точки в комплексной x-плоскости, с соответствующими циклами γA и γB по которым можно проинтегрировать, чтобы получить A- и B-периоды. Черные волнистые линии — это квадратные корни срезы ветвей квадратного корня.
Автор: Alexander van Spaendonck, Marcel Vonk SciPost Phys. 16, 103 (2024) · published 12 April 2024 doi: 10.21468/SciPostPhys.16.4.103 CC-BY 4.0 Источник: scipost.org

Применение трансрядов к анализу туннельных явлений обладает рядом преимуществ. Во-первых, это позволяет единообразно описывать различные типы туннелирования, независимо от формы потенциального барьера. Во-вторых, трансряды позволяют учесть явление Стокса — резкое изменение амплитуды туннелирования при изменении параметров системы. В-третьих, трансряды позволяют избежать неоднозначностей, связанных с традиционными методами вычисления непертурбативных эффектов.

Исследования ван Спаэндонка и Вонка показали, что трансряды, описывающие квантовое туннелирование, факторизуются на «минимальный» трансряд, отражающий базовые свойства туннелирования, и «медианный» трансряд, зависящий от конкретной задачи и отражающий специфические особенности системы.

Дальнейшие исследования в этом направлении могут быть направлены на изучение явления «пересечения стен» — изменения списка стабильных и нестабильных состояний системы при изменении параметров. Применение трансрядов к этой проблеме может привести к новым открытиям в области квантовой механики и ее приложений.

Таким образом, подход на основе трансрядов открывает новые перспективы для понимания и описания туннельных явлений в квантовой механике, что может иметь значительные последствия для развития различных областей науки и техники.

Если туннельный эффект настолько фундаментален, почему мы не наблюдаем его в макроскопическом мире?

Вероятность туннелирования экспоненциально уменьшается с увеличением массы частицы и ширины потенциального барьера. Поэтому для макроскопических объектов, таких как мяч или человек, вероятность туннелирования стремится к нулю.

Какие технологические применения может иметь туннельный эффект?

Туннельный эффект используется в различных устройствах, таких как туннельные диоды, сканирующие туннельные микроскопы, флэш-память и некоторые типы лазеров.

Туннельный диод и джампер
Туннельный диод и джампер
Автор: Caliston. Собственная работа, Общественное достояние Источник: commons.wikimedia.org

Является ли математическое описание туннелирования с помощью трансрядов единственно возможным?

Нет, существуют и другие методы описания туннелирования, например, метод WKB-приближения или метод интегралов по траекториям. Однако подход на основе трансрядов обладает рядом преимуществ, таких как универсальность и возможность учета тонких эффектов, таких как явление Стокса.

Может ли туннельный эффект быть использован для создания «телепортации» объектов?

В настоящее время нет научных оснований полагать, что туннельный эффект может быть использован для телепортации макроскопических объектов. Туннелирование — это квантовый эффект, который применим к микроскопическим частицам, и его вероятность для макроскопических объектов исчезающе мала.

Какие еще нерешенные проблемы связаны с туннельным эффектом?

Одной из таких проблем является полное понимание явления «пересечения стен» — изменения списка стабильных и нестабильных состояний системы при изменении параметров. Также остается открытым вопрос о том, как туннельный эффект влияет на динамику сложных квантовых систем.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Мультиметр для автодиагностики FNIRSI TMP-610S: обзор осциллографа, цифрового генератора и тестера сигналов в одном корпусе

В одном корпусе осциллограф, цифровой генератор и тестер сигналов — такое устройство позволяет не только видеть статические значения амплитуды, но и анализировать форму сигналов,...

Обзор и тест мини-ПК Ninkear L20: Core Ultra 5 226V, Intel Arc 130V и локальный ИИ

Когда-то компактный компьютер приходилось выбирать по принципу «лишь бы хватило мощности для браузера и документов». Сейчас ситуация изменилась. В корпусе объёмом меньше литра уже можно...

Эта птица глотает кости целиком: как бородач умудряется их переваривать

Когда от погибшего животного остаются почти одни кости, для большинства падальщиков еда уже закончилась. Но бородач всё ещё может здесь пообедать. Эта крупная горная птица подбирает кости и глотает...

Зачем NASA отправило на орбиту серебристый шар размером с дом

В начале 1960-х спутниковая связь ещё была экспериментом. Инженерам предстояло выяснить, можно ли передавать через космос обычный телефонный разговор и какое оборудование для этого...

Зачем крекеру дырки: история и немного морской романтики

Крекеры — это лаконичный, но невероятно практичный продукт, который давно занял своё место в рационе многих людей. Их ценят за нейтральный вкус и приятную текстуру: они отлично оттеняют...