Сравнительно недавно в престижном журнале Physical Review X была опубликована научная статья на тему “Dielectric metamaterials with toroidal dipolar response”. В ней шла речь о возможности создания метаматериалов, полностью прозрачных для электромагнитных волн за счет возбуждения в них особых мод- “анаполей”.
Мы обратились к одному из авторов этой статьи Алексею Башарину, чтобы получить экспертное мнение относительно уникального явления в анапольной физике, а именно о неизлучающем «анаполе». Специально для нашего корпоративного блога на GT он согласился написать статью в научно-популярном формате и тезисно рассказать, в чем состояла уникальность его исследования, а также дать экспертный комментарий по статье, опубликованной в Nature Communications.
Алексей Башарин, без сомнения, является выдающимся экспертом в своей области, получившем многолетний зарубежный опыт исследований в ведущих исследовательских университетах Греции и Франции. В данный момент Алексей проводит свое исследование в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» под руководством Алексея Устинова.
Анаполь (от греч. an — отрицат. частица и polos — полюс) представляет собой неизлучающий источник или рассеиватель, который способен излучать векторные потенциалы, в отсутствие излученных электромагнитных полей, а также рассеивать векторные потенциалы, в отсутствие полей. Благодаря этому мы можем получить уникальную возможность скрывать различные объекты, точнее экранировать их от электромагнитных полей и получить устройства для скрытой передачи данных. При этом передача данных возможна за счет модуляции векторного потенциала, а привычное распространение электромагнитных волн (света) в системе будет отсутствовать. Более того, это может означать, что множество объектов и источников в природе мы просто не видим, потому что они не взаимодействуют с электромагнитными полями, а взаимодействуют исключительно с потенциалами!
Анапольная (тороидная) электродинамика настолько интересна и необычна, что мы даже не можем сказать на сегодняшний день, как потенциалы могут распространяться в вакууме и других средах, как сильно они затухают, каков их процесс дифракции на различных объектах и т.д. И самое главное, как их принимать и детектировать. Ведь нет еще приборов, способных фиксировать потенциалы и их поля.
В 1957 году советский физик Яков Зельдович ввел понятие тороидного дипольного момента для объяснения нарушения четности в атомном ядре при слабых взаимодействиях. Тороидный диполь – это отдельный своеобразный элемент мультипольного разложения, соответствующий электрическим токам, циркулирующим на поверхности тора вдоль его меридианов (так называемые полоидные токи). Зельдович предположил, что такое возбуждение возникает за счет статических токов (анаполь), возникающих в атомном ядре. С тех пор, как существование статического тороидного диполя было предсказано, его значение было обсуждено в ряде твердотельных систем, включая сегнетоэлектрики и нано-ферромагнитики, мультиферроики, молекулярные магниты и др.
Намного меньше известен динамический тороидный момент. Хотя стандартное мультипольное разложение, известное из университетских учебников по электродинамике, описывает излучаемые источником поля, тороидный дипольный момент не включен в это разложение и часто исключается из рассмотрения в классической электродинамике и споры о его существовании и необходимости его введения в мультипольное разложение ведутся до сих пор. Будучи, физически отличным от динамического электрического дипольного момента (например, обычный электрический вибратор), источник, обладающий тороидным моментом, излучает с тем же самым угловым моментом и свойствами в дальней зоне. Следовательно, тороидный и электрические дипольные моменты неотличимы для любого удаленного наблюдателя.
Существование динамического тороидного диполя также показывает, что следует проявлять осторожность при установлении связи между свойствами дальнего поля электромагнитного источника и распределением заряда/тока, возбуждающего источник. Это относится ко многим областям науки, изучающей электромагнитные взаимодействия, и, в частности важно, для нанофотоники и плазмоники, где топология заряда/тока возбуждения служит для повышения локальных оптических полей. Кроме того, учитывая явную тороидальную топологию большого количества биологически важных макромолекул и белковых комплексов, вполне разумно ожидать, что исследования электромагнитных взаимодействий, связанных с тороидальным дипольным моментом могут объяснить многие биологические процессы в природе. Говоря более простым языком, если мы хотим определить от чего исходит, принятый нами сигнал при исследовании объектов с тороидной топологией, то мы можем принять этот объект за что-то другое и обладающего не тороидным моментом, а например электрическим. Т.е. сигнал, принятый от тороидного источника, мы можем принять за сигнал от обычной телевизионной антенны- электрического вибратора, при том что сами источники разные, а поля их излучения одинаковые! Вот отсюда и возникает необходимость учета тороидного момента!
Обнаружение тороидальных возбуждений является сложной задачей. Динамический тороидный диполь взаимодействует с curl B (вихрь магнитного поля) и слабо взаимодействует со свободным пространством, в то время как его проявление может быть замаскировано более сильными электромагнитными эффектами из-за электрических и магнитных дипольных моментов и даже электрического квадрупольного. Экспериментальное обнаружение тороидного отклика стало возможно только недавно, благодаря использованию концепции метаматериалов. Эта концепция дает возможность наблюдать новые и экзотические оптические явления, контролируя характер электромагнитного отклика с помощью искусственно структурированных сред в субволновом масштабе. Впервые тороидный дипольный отклик был продемонстрирован исследователями из Университета Саутгемптона (T. Kaelberer, V.?A. Fedotov, N. Papasimakis, D.?P. Tsai, and N.?I. Zheludev, Toroidal Dipolar Response in a Metamaterial, Science 330, 1510 (2010)) в 2010 году в метаматериалах, состоящих из специально спроектированных металлических метамолекул тороидной топологии, с пониженными электрическим и магнитными дипольными моментами, в то время как тороидный отклик был спектрально выделен и повышен резонансно до измеряемого уровня. Эта демонстрация открыла путь к проверке удивительных явлений тороидной электродинамики и стимулировала работы по исследованию метаматериалов и плазмонных систем, проявляющих сильный тороидный отклик.
В 2015 году вышло сразу две публикации, посвященных обнаружению динамического тороидного отклика в диэлектрических частицах.
В первой статье, опубликованной нами, в престижном журнале Physical Review X, описываются мета-молекулы, состоящие из четырех близко расположенных диэлектрических микроцилиндров танталата лития, которые тем самым обеспечивают ближнепольную связь между Ми-резонансными магнитными модами m, возбужденными в каждом цилиндре. Эти моды соответствовали токам смещения j, осциллирующих в противоположных направлениях, относительно осей цилиндров и возбужденных плоской волной с вектором E, параллельного осям цилиндров.
Авторы второй статьи, опубликованной в Nature Communications, утверждают о наблюдении “анаполя” в кремниевых нанодисках. Это совместное исследование авторов из России, Австралии, Германии и Сингапура, демонстрирует, что в одиночных кремниевых частицах могут одновременно существовать тороидный и электрический дипольные моменты и при облучении их светом они образуют анаполь, в результате чего рассеянное такой частицей поле будет отсутствовать, и мы не сможем увидеть отраженный от нано-объекта свет.
По-сути “анаполь” работает как плащ невидимка Гарри Поттера или “cloaking” для наночастиц и скрывает их от удаленного наблюдателя. Это в идеале и в теории, но авторы показали в эксперименте, что деструктивная интерференция между тороидным и электрическим моментом, приводит к уменьшению поля рассеяния, но при этом в поле рассеяния все еще сохраняется вклад от магнитного квадропульного момента, который подавить, естественно, полностью нельзя. Но, тем не менее, исследователи наблюдали значительный ярко выраженный провал в спектре рассеяния частицей полей в дальней зоне. Этот результат подтверждает существование неизлучающего анаполя и невидимость, “скрываемого” им нанообъекта!
Но так уж ли невидим неизлучающий анаполь на самом деле? Почти через 40 лет после работы Зельдовича, исследователи из ОИЯФ РАН, г. Дубна Афанасьев и др. теоретически предсказали, что при существовании в электродинамической системе анаполя, возникающего благодаря деструктивно интерферирующим электрического и тороидного диполей, возникает нетривиальная ситуация! В результате излучения такого источника, электрическое и магнитное поля отсутствуют вне его, но существуют незатухающие Векторные потенциалы! Что это обозначает?
В классической электродинамике векторный потенциал, введенный еще Пуассоном, достаточно часто трактовался как нефизическая величина, формально вводимая лишь для удобства электродинамических расчетов. Но, тем не менее, на протяжении времени, с введения в физику понятия потенциала, исследователи задаются вопросом: ”Имеет ли векторный потенциал физический смысл или нет?”. И если ответ- да, то как его можно измерить? Частично на этот вопрос отвечает знаменитый эффект Ааронова- Бома в статике, когда квантовая частица испытывает смещение фазы при пролете областей, в которых отсутствует магнитное поле, но существует векторный потенциал этого поля! Т.е. наблюдается безизлучательная передача информации о частице, а точнее модуляция информации без участия полей, т.о. эта информация скрытна. Несмотря на количество ссылок (~1500) на первоначальную работу Ааронова- Бома и попытки косвенного измерения векторного потенциала, вопрос о его физичности до сих пор открыт и долго-ожидаем многими исследователями и в разных областях. Динамический эффект Ааронова – Бома, более сложен и интересен! Как сделать неизлучающий источник, который бы излучал потенциалы, но не излучал электрического и магнитного полей? На этот вопрос классическая электродинамика дает вполне точный ответ, что если у нас отсутствуют поля, то должны отсутствовать и потенциалы этих полей! Но не для “анаполя” Зельдовича! Действительно, согласно работам Афанасьева, при деструктивной интерференции полей электрического и тороидного диполей, результирующие электрические и магнитные поля обратятся в нуль, но в тоже время векторный потенциал в нуль не обращается и не может быть исключен из рассмотрения калибровочными преобразованиями!
Возвращаясь к описанным выше частицам, обладающих анапольным моментом, мы ответим на вопрос, поставленный в заглавии статьи, что анаполь может быть обнаружен, но не благодаря полям, а за счет измерения векторных потенциалов. Таким образом, мета-частицы невидимые для наблюдателя, за счет возбуждения в них неизлучающего анаполя, на самом деле оказываются только «наполовину» невидимыми.
Как же можно померить векторный потенциал, излучаемый или отраженный динамическим анаполем? Джозефсоновские переходы, интенсивно исследуемые в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и сверхпроводящие метаматериалы, в состав которых они входят, дают нам хорошие перспективы для обнаружения “анаполя” и его потенциала. В самом деле, Джозефсоновский переход является квантомеханическим объектом, а ток, протекающий через который, может модулироваться векторным потенциалом, облучающего его анапольного нетривиального неизлучающего источника и это дает нам уникальную возможность увидеть, или правильней будет сказать, “почувствовать” векторный потенциал, излучаемый анаполем и пролить свет на многие вопросы квантовой физики о существовании и физическом смысле векторного потенциала и на многие другие вопросы о применение его для передачи данных и о взаимодействие потенциала с различными природными средами?!
В частности, явным прорывом будет применение описанных метаматериалов, в качестве элементов кубитов квантовых компьютеров, взаимодействие в которых осуществляется не за счет полей, а за счет потенциалов, что является задачей будущего, говорить о которой пока рано, в рамках этой статьи.
Таким образом, мы заканчиваем эту статью на оптимистичной ноте и надеемся в ближайшем будущем увидеть первые результаты лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» по обнаружению неизлучающего анаполя!
Мы обратились к одному из авторов этой статьи Алексею Башарину, чтобы получить экспертное мнение относительно уникального явления в анапольной физике, а именно о неизлучающем «анаполе». Специально для нашего корпоративного блога на GT он согласился написать статью в научно-популярном формате и тезисно рассказать, в чем состояла уникальность его исследования, а также дать экспертный комментарий по статье, опубликованной в Nature Communications.
Алексей Башарин, без сомнения, является выдающимся экспертом в своей области, получившем многолетний зарубежный опыт исследований в ведущих исследовательских университетах Греции и Франции. В данный момент Алексей проводит свое исследование в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» под руководством Алексея Устинова.
Оборудование лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» для исследования метаматериалов в сверхпроводящем режиме, которое используется для исследования анаполя в метаматериалах с Джозефсоновскими переходами.
Анаполь (от греч. an — отрицат. частица и polos — полюс) представляет собой неизлучающий источник или рассеиватель, который способен излучать векторные потенциалы, в отсутствие излученных электромагнитных полей, а также рассеивать векторные потенциалы, в отсутствие полей. Благодаря этому мы можем получить уникальную возможность скрывать различные объекты, точнее экранировать их от электромагнитных полей и получить устройства для скрытой передачи данных. При этом передача данных возможна за счет модуляции векторного потенциала, а привычное распространение электромагнитных волн (света) в системе будет отсутствовать. Более того, это может означать, что множество объектов и источников в природе мы просто не видим, потому что они не взаимодействуют с электромагнитными полями, а взаимодействуют исключительно с потенциалами!
Анапольная (тороидная) электродинамика настолько интересна и необычна, что мы даже не можем сказать на сегодняшний день, как потенциалы могут распространяться в вакууме и других средах, как сильно они затухают, каков их процесс дифракции на различных объектах и т.д. И самое главное, как их принимать и детектировать. Ведь нет еще приборов, способных фиксировать потенциалы и их поля.
 |
Алексей Башарин, Научный сотрудник, эксперт Лаборатория «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» |
Что же такое тороидный диполь?
В 1957 году советский физик Яков Зельдович ввел понятие тороидного дипольного момента для объяснения нарушения четности в атомном ядре при слабых взаимодействиях. Тороидный диполь – это отдельный своеобразный элемент мультипольного разложения, соответствующий электрическим токам, циркулирующим на поверхности тора вдоль его меридианов (так называемые полоидные токи). Зельдович предположил, что такое возбуждение возникает за счет статических токов (анаполь), возникающих в атомном ядре. С тех пор, как существование статического тороидного диполя было предсказано, его значение было обсуждено в ряде твердотельных систем, включая сегнетоэлектрики и нано-ферромагнитики, мультиферроики, молекулярные магниты и др.
Намного меньше известен динамический тороидный момент. Хотя стандартное мультипольное разложение, известное из университетских учебников по электродинамике, описывает излучаемые источником поля, тороидный дипольный момент не включен в это разложение и часто исключается из рассмотрения в классической электродинамике и споры о его существовании и необходимости его введения в мультипольное разложение ведутся до сих пор. Будучи, физически отличным от динамического электрического дипольного момента (например, обычный электрический вибратор), источник, обладающий тороидным моментом, излучает с тем же самым угловым моментом и свойствами в дальней зоне. Следовательно, тороидный и электрические дипольные моменты неотличимы для любого удаленного наблюдателя.
Существование динамического тороидного диполя также показывает, что следует проявлять осторожность при установлении связи между свойствами дальнего поля электромагнитного источника и распределением заряда/тока, возбуждающего источник. Это относится ко многим областям науки, изучающей электромагнитные взаимодействия, и, в частности важно, для нанофотоники и плазмоники, где топология заряда/тока возбуждения служит для повышения локальных оптических полей. Кроме того, учитывая явную тороидальную топологию большого количества биологически важных макромолекул и белковых комплексов, вполне разумно ожидать, что исследования электромагнитных взаимодействий, связанных с тороидальным дипольным моментом могут объяснить многие биологические процессы в природе. Говоря более простым языком, если мы хотим определить от чего исходит, принятый нами сигнал при исследовании объектов с тороидной топологией, то мы можем принять этот объект за что-то другое и обладающего не тороидным моментом, а например электрическим. Т.е. сигнал, принятый от тороидного источника, мы можем принять за сигнал от обычной телевизионной антенны- электрического вибратора, при том что сами источники разные, а поля их излучения одинаковые! Вот отсюда и возникает необходимость учета тороидного момента!
Обнаружение тороидальных возбуждений является сложной задачей. Динамический тороидный диполь взаимодействует с curl B (вихрь магнитного поля) и слабо взаимодействует со свободным пространством, в то время как его проявление может быть замаскировано более сильными электромагнитными эффектами из-за электрических и магнитных дипольных моментов и даже электрического квадрупольного. Экспериментальное обнаружение тороидного отклика стало возможно только недавно, благодаря использованию концепции метаматериалов. Эта концепция дает возможность наблюдать новые и экзотические оптические явления, контролируя характер электромагнитного отклика с помощью искусственно структурированных сред в субволновом масштабе. Впервые тороидный дипольный отклик был продемонстрирован исследователями из Университета Саутгемптона (T. Kaelberer, V.?A. Fedotov, N. Papasimakis, D.?P. Tsai, and N.?I. Zheludev, Toroidal Dipolar Response in a Metamaterial, Science 330, 1510 (2010)) в 2010 году в метаматериалах, состоящих из специально спроектированных металлических метамолекул тороидной топологии, с пониженными электрическим и магнитными дипольными моментами, в то время как тороидный отклик был спектрально выделен и повышен резонансно до измеряемого уровня. Эта демонстрация открыла путь к проверке удивительных явлений тороидной электродинамики и стимулировала работы по исследованию метаматериалов и плазмонных систем, проявляющих сильный тороидный отклик.
Существуют ли тороидный диполь и анаполь?
В 2015 году вышло сразу две публикации, посвященных обнаружению динамического тороидного отклика в диэлектрических частицах.
В первой статье, опубликованной нами, в престижном журнале Physical Review X, описываются мета-молекулы, состоящие из четырех близко расположенных диэлектрических микроцилиндров танталата лития, которые тем самым обеспечивают ближнепольную связь между Ми-резонансными магнитными модами m, возбужденными в каждом цилиндре. Эти моды соответствовали токам смещения j, осциллирующих в противоположных направлениях, относительно осей цилиндров и возбужденных плоской волной с вектором E, параллельного осям цилиндров.
Возбуждение тороидного момента в диэлектрической метамолекулеДля узкого диапазона частот, магнитные моменты m (также как и магнитное поле H), которые осциллируют перпендикулярно осям цилиндров, образовывали динамический вихрь замкнутой петли магнитного поля, сильно сконцентрированного в пределах мета-молекулы. В идеальном случае такое состояние характеризуется нулевыми магнитными и электрическими мультипольными моментами, и ненулевым тороидным дипольным моментом T, осциллирующего вдоль оси мета-молекулы. Но обладая интересной тороидной топологией диэлектрического кластера, авторам удалось наблюдать в мета-молекулах необычную конфигурацию электромагнитных полей, при которой электрический и тороидный моменты, возбужденные в мета-молекуле, были равны по амплитуде, но противоположны по фазе и деструктивно интерферировали и не излучали полей вне мета-молекулы или, что тоже самое, не обладали радиационными потерями. Это следует модели “анаполя” по Зельдовичу или понятию стабильного атома по Бому и Вайнштейну (1948 год). Интересно, что метаматериал, состоящий из цилиндрических диэлектрических кластеров, априори имеет низкие диэлектрические потери. И, волна, распространяющаяся сквозь такой метаматериал, не замечает его и проходит через него без потерь! Благодаря “анапольным” возбуждениям, она не испытывает радиационных потерь, а благодаря диэлектрическим ингредиентам – тепловых или джоулевых потерь. Таким образом, метаматериал становится прозрачным и невидимым для наблюдателя.
Авторы второй статьи, опубликованной в Nature Communications, утверждают о наблюдении “анаполя” в кремниевых нанодисках. Это совместное исследование авторов из России, Австралии, Германии и Сингапура, демонстрирует, что в одиночных кремниевых частицах могут одновременно существовать тороидный и электрический дипольные моменты и при облучении их светом они образуют анаполь, в результате чего рассеянное такой частицей поле будет отсутствовать, и мы не сможем увидеть отраженный от нано-объекта свет.
Экспериментальный спектр рассеяния от силиконового нанодиска и поля, соответвтвующие анаполю (Nature Communications 6, 8069, doi:10.1038/ncomms9069)
По-сути “анаполь” работает как плащ невидимка Гарри Поттера или “cloaking” для наночастиц и скрывает их от удаленного наблюдателя. Это в идеале и в теории, но авторы показали в эксперименте, что деструктивная интерференция между тороидным и электрическим моментом, приводит к уменьшению поля рассеяния, но при этом в поле рассеяния все еще сохраняется вклад от магнитного квадропульного момента, который подавить, естественно, полностью нельзя. Но, тем не менее, исследователи наблюдали значительный ярко выраженный провал в спектре рассеяния частицей полей в дальней зоне. Этот результат подтверждает существование неизлучающего анаполя и невидимость, “скрываемого” им нанообъекта!
Так уж ли невидим неизлучающий «анаполь»?
Но так уж ли невидим неизлучающий анаполь на самом деле? Почти через 40 лет после работы Зельдовича, исследователи из ОИЯФ РАН, г. Дубна Афанасьев и др. теоретически предсказали, что при существовании в электродинамической системе анаполя, возникающего благодаря деструктивно интерферирующим электрического и тороидного диполей, возникает нетривиальная ситуация! В результате излучения такого источника, электрическое и магнитное поля отсутствуют вне его, но существуют незатухающие Векторные потенциалы! Что это обозначает?
В классической электродинамике векторный потенциал, введенный еще Пуассоном, достаточно часто трактовался как нефизическая величина, формально вводимая лишь для удобства электродинамических расчетов. Но, тем не менее, на протяжении времени, с введения в физику понятия потенциала, исследователи задаются вопросом: ”Имеет ли векторный потенциал физический смысл или нет?”. И если ответ- да, то как его можно измерить? Частично на этот вопрос отвечает знаменитый эффект Ааронова- Бома в статике, когда квантовая частица испытывает смещение фазы при пролете областей, в которых отсутствует магнитное поле, но существует векторный потенциал этого поля! Т.е. наблюдается безизлучательная передача информации о частице, а точнее модуляция информации без участия полей, т.о. эта информация скрытна. Несмотря на количество ссылок (~1500) на первоначальную работу Ааронова- Бома и попытки косвенного измерения векторного потенциала, вопрос о его физичности до сих пор открыт и долго-ожидаем многими исследователями и в разных областях. Динамический эффект Ааронова – Бома, более сложен и интересен! Как сделать неизлучающий источник, который бы излучал потенциалы, но не излучал электрического и магнитного полей? На этот вопрос классическая электродинамика дает вполне точный ответ, что если у нас отсутствуют поля, то должны отсутствовать и потенциалы этих полей! Но не для “анаполя” Зельдовича! Действительно, согласно работам Афанасьева, при деструктивной интерференции полей электрического и тороидного диполей, результирующие электрические и магнитные поля обратятся в нуль, но в тоже время векторный потенциал в нуль не обращается и не может быть исключен из рассмотрения калибровочными преобразованиями!
Возвращаясь к описанным выше частицам, обладающих анапольным моментом, мы ответим на вопрос, поставленный в заглавии статьи, что анаполь может быть обнаружен, но не благодаря полям, а за счет измерения векторных потенциалов. Таким образом, мета-частицы невидимые для наблюдателя, за счет возбуждения в них неизлучающего анаполя, на самом деле оказываются только «наполовину» невидимыми.
Векторный потенциал позволит обнаружить анаполь
Как же можно померить векторный потенциал, излучаемый или отраженный динамическим анаполем? Джозефсоновские переходы, интенсивно исследуемые в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и сверхпроводящие метаматериалы, в состав которых они входят, дают нам хорошие перспективы для обнаружения “анаполя” и его потенциала. В самом деле, Джозефсоновский переход является квантомеханическим объектом, а ток, протекающий через который, может модулироваться векторным потенциалом, облучающего его анапольного нетривиального неизлучающего источника и это дает нам уникальную возможность увидеть, или правильней будет сказать, “почувствовать” векторный потенциал, излучаемый анаполем и пролить свет на многие вопросы квантовой физики о существовании и физическом смысле векторного потенциала и на многие другие вопросы о применение его для передачи данных и о взаимодействие потенциала с различными природными средами?!
Образец сверхпроводящего метаматериала с Джозефсоновскими переходами в держателе
В частности, явным прорывом будет применение описанных метаматериалов, в качестве элементов кубитов квантовых компьютеров, взаимодействие в которых осуществляется не за счет полей, а за счет потенциалов, что является задачей будущего, говорить о которой пока рано, в рамках этой статьи.
Таким образом, мы заканчиваем эту статью на оптимистичной ноте и надеемся в ближайшем будущем увидеть первые результаты лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» по обнаружению неизлучающего анаполя!
Рабочая камера лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» в которой проходят исследования метаматериалов в сверхпроводящем режиме для отыскания динамического анаполя.
qbertych
Это шикарно, спасибо за введение в совершенно необычную и очень красивую тему!
Собственно, интерферометр Ааронова-Бома их и детектирует.Позвольте разве что придраться к изложению, оно пока немного тяжеловато и требует подготовки читателя. (Хотя по-хорошему тогда пришлось бы рассказывать про Ааронова-Бома, связанные с этим философские вопросы, разложение поля по моментам и так далее.) Ну и по мелочи:
NeoCode
Все-таки что это значит на простом языке? Какая-то новая сторона электромагнетизма? В чем она заключается?
qbertych
Чтобы было проще, давайте издалека. Электромагнитное поле описывается комбинацией вектора электрического поля и вектора магнитного поля. Два вектора — шесть координат. Электрическое и магнитное поле связаны уравнениями Максвелла, поэтому независимых переменных не шесть, а четыре. Их можно записать в виде вектор-потенциала (вектор, 3 переменных) и скалярного потенциала (одна переменная).
Удивительно, но вектор-потенциал может быть ненулевым при нулевых магнитном и электрическом полях. Еще более удивительно, что этот вектор-потенциал может влиять на частицы. Проще всего влияние обнаруживается, когда частица описывает круг вокруг области с ненулевым вектор-потенциалом. Это называется эффектом Ааронова-Бома (обзор не супер, но этот эффект популярно на русском вообще мало где описан).
Здесь возникает философская проблема: всю жизнь мы думали, что реальная физическая сущность — это то, что непосредственно влияет на объекты. Скажем, электрическое/магнитное поле в прямом смысле слова двигает заряды, а значит является реальным (а вектор-потенциал — вторичен). Теперь оказывается, что вектор-потенциал сам может влиять на частицы, и поэтому претендует на первичность. Кто прав? Оставим этот вопрос философам.
Подходим к финалу. Источники электрического/магнитного полей — это заряды и их токи. Мы знаем, как они распространяются в пространстве, как ток генерирует ЭМ волны и как волны, попавшие в антенну, превращаются обратно в ток. Так вот, анаполь — это тоже заряд, но генерирующий не ЭМ поле, а поле вектор-потенциала. То есть мы потенциально можем передавать сигналы, но не ЭМ полем, а полем вектор-потенциала. Его сложнее детектировать (обычно нужны сверхпроводники), но зато
(а) вектор-потенциал может распространяться без ЭМ поля («поисковик жучков» не найдет)
(б) вектор-потенциал не экранируется металлом, клетками Фарадея итп.
VIK52
i_andreev
B=rot A (A — вектор-потенциал), соответственно, при любом безвихревом поле вектор-потенциала магнитное поле будет отсутствовать
qbertych
Отсюда еще один забавный момент. Функция, обратная ротору, неоднозначна. Значит, вектор-потенциал тоже неоднозначен. Он может быть любым, лишь бы оставался инвариантным его ротор. При этом еще одним инвариантом оказывается интеграл по контуру (это уже математика), который как раз и измеряется в эффекте Ааронова-Бома.
Кстати, эффект А-Б не так уж удивителен, похожие сущности (дающие контурные интегралы, отличные от нуля из-за свойств пространства) встречаются довольно часто. Объединяют их термином геометрическая фаза или фаза Берри; простейшее проявление — сумма углов треугольника, отличная от 180 на кривой поверхности. Еще одно проявление — маятник Фуко. Жаль, но для подробного объяснения нужно писать много страшных интегралов.
Свойство кривой поверхности: после кругового параллельного переноса вектор возвращается не в той же ориентации. Угол поворота как раз называют геометрической фазой. На плоскости такого не происходит. Картинка отсюда.
Nashev
торсионщина, кажись
Basharin_MISIS
Вам действительно показалось!
Здесь речь идет о тороидных моментах, и возбуждении особых мод- анаполях и их возможных применениях
Nashev
А B здесь что?
Basharin_MISIS
А-Б эффект Ааронова-Бома
Nashev
Извините, я не о том, кажется. Видимо процитировать надо было.
А B здесь что?
Basharin_MISIS
A- вектор потенциал
B- вектор магнитной индукции
Nashev
Спасибо.
А скалярный потенциал как тут получается?
А упомянутые выше вектора электрического поля и магнитного поля?
«Вектор магнитного поля» это ведь и есть «вектор магнитной индукции»?
Basharin_MISIS
Вот здесь подробно описаны формулы для полей и потенциалов тороидного и электрического диполя.
www.nature.com/article-assets/npg/srep/2013/131017/srep02967/extref/srep02967-s1.pdf
NeoCode
Скажу честно, дух захватывает:) Если я правильно понимаю, то с физической точки зрения это действительно какой-то новый способ передачи информации, какое-то новое проявление электромагнетизма. Почти как если бы открыли новый фундаментальный вид взаимодействия…
Есть предположения, что это физически? Грубо говоря, фотоны там между источником и приемником летают или нет? Скорость распространения этого сигнала, надеюсь, все-же равна скорости света, здесь вряд ли будут сюрпризы:)
Какая проникающая способность у этого «вектор-потенциала»? Если он не экранируется металлом, то чем экранируется? Можно ли исследовать космос в этом «спектре» (телескопы реагирующие на вектор-потенциал)? Можно ли сделать реальные системы передачи информации? Какова может быть дальность действия, можно ли дать сравнительную оценку по затратам энергии для передачи сигнала классическим способом и через вектор-потенциалы? Понимаю что на многие вопросы еще нет ответов, но все равно очень интересно.
DrSmile
На мой взгляд, в статье используется неудачная терминология, которая только запутывает читателей без соответствующего образования. (А еще складывается впечатление, что писал кто-то, слабо разбирающийся в предмете, и желтые заголовки только усугубляют.)
На самом деле, поле скаляр+вектор-потенциала и электромагнитное поле — это одно и то же, поэтому фразы, в которых противопоставляют эти два понятия, выглядят крайне бредово. Физически наблюдаемые напряженности ЭМ-полей — это производные от 4-потенциала, который определен с точностью до скалярной функции пространства-времени (калибровочная инвариантность). Причем оба этих описания ЭМ-поля математически эквивалентны.
А эффект Ааронова-Бома на замкнутой траектории однозначно определяется обычными измеримыми ЭМ-полями внутри этой траектории. Таким образом, этот эффект — это интегральная характеристика полей внутри контура и он присутствует даже если на самом контуре поля нулевые. Однако никакой «скрытой» передачи там не происходит: никто не мешает злоумышленнику сделать прослушивающий контур, аналогичный приемному. В лучшем случае это можно назвать «передачей информации, не обнаружимой никаким локальным способом».
qbertych
Верно, по большому счету, это то же ЭМ поле, но в другом базисе, в котором мало кто работал. А теперь представьте себя на месте автора, которому нужно популярно объяснить, чем его работа примечательна (при том, что она действительно крута). Вот как вы на пальцах объясните, чем вектор-потенциалы отличаются от полей и почему это интересно?
DrSmile
На мой взгляд, не стоит делать подмену понятий: потенциалы и поля — это одно и то же. А ценность работы в том, что смогли создать и детектировать электромагнитное поле, которое локально неотличимо от нулевого, однако вполне поддается измерению с помощью протяженных измерительных систем.
Oleg_Sh
Ну я бы написал как-то так:
— Все мы знаем, что электромагнитное поле состоит из электрического и магнитного. Однако электрическое и магнитное поля не являются полностью независимыми друг от друга, если задать в каждой точке пространства два независимых вектора для каждого из полей, возникает некоторая избыточность. У математиков возник соблазн описать электромагнитное поле без избыточности, и они предложили такой подход: электромагнитное поле представляется совокупностью потенциального и векторного поля. Потенциальное поле — это как поле тяготения Земли. Работу по перемещению тела из одной точки в другую можно посчитать, зная только разность высот этих точек, то есть разность потенциалов. Векторное поле можно сравнить с турбулентной атмосферой. В каждой точке пространства ветер дует в каком-то направлении. Возможны вихри, когда частица пролетела по кругу, и всюду двигалась по ветру. С потенциальным полем такой фокус не возможен. Для описания потенциального поля достаточно в каждой точке пространства определить число — потенциал, для векторного поля в каждой точке пространства определяется вектор — математический объект, характеризующийся величиной (длиной вектора) и направлением.
До сих пор физики не встречались с ситуацией, когда потенциал равен нулю, а вектор — нет. Более того, не было до конца ясно, является ли такая ситуация физической реальностью. Имелось подозрение, что вектор без потенциала — математическая абстракция, ведь не было способов ни создать такое поле, ни зарегистрировать его. В данной работе как раз предлагается способ получать и измерять такие поля. Интересно, что обычные антенны не способны зарегистрировать такое поле, поэтому данный подход может привести к появлению нового вида связи, незаметного для существующих антенн.
Специалистом в вопросе не являюсь, просто пересказываю прочитанное! Большое спасибо за статью и обсуждение, пошел читать комментарии дальше.
Basharin_MISIS
К сожалению это не так, математически они являются лишь хорошим помощником при решение электродинамических задач. Но физически мы не знаем что же такое потенциалы. Мы можем мерить поля, но не знаем как мерить потенциалы и о физичности потенциалов рассуждать сложно, потому что даже при наблюдении эффекта статического Ааронова-Бома наблюдают не сами потенциалы, а их последствия.
Halt
Меня вот что интересует. Электромагнитное взаимодействие распространяется со скоростью света. Что можно сказать о взаимодействии упомянутых анаполей?
Вопрос в лоб: можно ли передавать с их помощью информацию быстрее скорости света? Если я правильно понимаю, они не являются материальными в смысле частиц так же, как точка смыкания тожниц в известном эксперименте.
Но в отличие от тени, движущейся по Луне со скоростью большей, чем скорость света, анаполи могут влиять на частицы, следовательно могут передавать информацию.
Объясните пожалуйста, в чем я ошибаюсь?
Halt
Или же мое утверждение сродни утверждению, что дырки в полупроводнике могут двигаться быстрее электронов?
qbertych
Поле распространяется не быстрее скорости света, независимо от того, как оно записано — в виде Э/М полей или в виде вектор-потенциала и скалярного потенциала. Про это есть такое понятие как запаздывающие потенциалы — то есть потенциал/поле меняется не сразу во всем пространстве, а распространяется с конечной скоростью.
Halt
Понятно, спасибо. Собственно как и предполагал :)
Basharin_MISIS
Кроме скорости таких волн еще интересен вопрос о затухании их, как быстро они затухают в среде?! А также вопрос дифракции и другие прикладные задачи о распространение и возбуждении «потенциальных» волн.
Klukonin
Нашел ответ выше
stychos
После водородной, должна быть вектор-потенциальная бомба.
Basharin_MISIS
Спасибо за конструктивную критику и положительное впечатление о теме исследования!
Да, вы действительно правы, что существуют интерферометры Ааронова-Бома, но они способны зафиксировать потенциалы от соленоида, который является неизлучающим источником магнитного поля, но излучающего потенциалы этого поля! В нашем случае речь идет о динамическом электромагнитном источнике- анаполе, который в результате деструктивной интерференции между тороидным и электрическим дипольными моментами излучает исключительно потенциалы, а ЭМ поля вне его отсутствуют.
grekmipt
Не ясно только каким образом данный эффект можно использовать для скрытой передачи информации. Ведь для того чтобы обнаружить такую хитрую форму вектор-потенциала, необходимо иметь прибор который в явном виде «дотягивается» до источника (ну т.е. на примере эффект Ааронова-Бома, интерферометр покажет что-либо только если пучок электронов рассеется на соленоиде — то бишь «обогнет» его с двух сторон, а до момента рассеяния на соленоиде — интереферометр ничего не покажет, будет обычный пучок электронов), т.е. приёмник должен физически доставать до зоны расположения источника — а локальная детекция такой формы потенциала невозможна.
Если же приёмник и источник явным образом связаны чисто пространственно-физически, то не вполне понятно какие это может иметь практические применения. Линия передачи получается — не вполне линия, а просто два физически связанных устройства. В чем profit?
Basharin_MISIS
В эффекте Ааронова-Бома, соленоид работает скорее как рассеиватель, т.е. это больше локация, а не передача данных. В нашем же случае мы создаем источник, который излучает динамические потенциалы, но не излучает полей.
Как же его создать? Тороидный диполь+ электрический= анаполь или излучатель потенциалов. Такими источники являются наночастицы, описанные выше. Также можно облучать их не плоской волной, а установить в их конструкции обычный электрический диполь.
Как его детектировать. Напрямую нельзя, потенциалы, как следствие приводят к сдвигу фазы «приемника». Ток через джозефсоновский переход, как квантовый объект, может быть подвергнут изменению фазы за счет излученных анаполем потенциалов.
grekmipt
Тогда возникает ранее озвученный мной вопрос, получается что возможна передача информации без передачи энергии (т.к. вектор-потенциал в отсутствие полей энергии не несет, но может быть локально задетектирован)? Иначе говоря, информация и энергия оказываются принципиально несвязанными сущностями?
qbertych
Насколько я понимаю, в том же Ааронове-Боме энергия поля не передается детектору. Детектор, который по сути интерферометр, просто перераспределяет интенсивности в интерференционной картине в зависимости от фазы. Энергия берется от источника интерферирующих частиц/волн, а не от того, что определяет фазу.
grekmipt
Да, разумеется — но в случае Ааронова-Бома и о распространении информации речи нет. Есть статичное (не распространяющееся по пространству) свойство пространства, которое мы измеряем интерферометром. Т.е. не возникает вопроса о том идентичны ли перенос информации и перенос энергии. В отличие от посыла статьи.
qbertych
Но если включать-выключать поле в середине интерферометра, то поле/потенциал будут меняться, распростаняясь в простанстве. Мне кажется, ситуация та же, разве что ограниченная областью в пространстве.
Basharin_MISIS
В проблеммах, близких к эффекту Ааронома-Бома, скорее стоит говорить о модуляции, а не о прямой передачи информации. И тогда снова возникает вопрос, а что-же тогда энергия в этом случае?!
Basharin_MISIS
В статичном случае Вы правы, но здесь речь идет о динамическом случае, когда у нас поля в источнике тороидного и электрического диполя осцилируют и меняются во времени, а полученный потенциал тоже изменяется во времени. Вопрос энергии интересен тем, что не понятно как понятием энергии оперировать в этом случае. Что есть энергия здесь- это предстоит еще решить и дать правильную терминологию.
grekmipt
Ясно, спасибо за ответ. Т.е. такой вопрос существует и пока ответа на него нет. Учитывая как хорошо и подробно проработано подавляющее большинство вопросов в электродинамике, сам по себе факт наличия в ней вопроса, на который пока нет ответа — это действительно интересно.
Basharin_MISIS
Вопрос даже более глобальный! А что считать энергией? В электромагнетизме есть понятие энергии электрического и магнитного поля, но нет понятия энергии потенциала. И есть ли здесь вообще ее передача или есть просто модуляция сигнала
DrSmile
Что считать энергией однозначно определяется теоремой Нётер. Даже больше, теория задает распределение этой энергии по пространству. Никакой неоднозначности или открытых вопросов там нет в принципе, надо просто взять и аккуратно посчитать. Я еще раз повторю, что электромагнитное поле и поле 4-потенциала — это одно и то же. Можно спорить, какое из двух представлений более физично, но для всех наблюдаемых величин (в том числе и энергии) они дают одинаковые результаты.
Basharin_MISIS
Тогда возникает вопрос, как нам измерить потенциал? Энергия- это тепло, т.е. с поглощением электромагнитной волны выделяется тепло, так мы можем почувствовать энергию ЭМВ. Что-же с потенциалами в этом случае, согласно Вашим рассуждениям?
qbertych
Да, вы правы. А можете пояснить, почему джозефсоновский контакт должен реагировать на потенциал? Насколько я понимаю, калибровочные преобразования потенциала в области контакта одновременно добавляют одну и ту же фазу волновым функциям по обе сторооны контакта. Поэтому мне непонятно, что именно должно измениться при наличии потенциала.
Basharin_MISIS
Я думаю, что вот этот патент точнее ответит на мой вопрос
www.google.com.ar/patents/US4432098
qbertych
Теперь ясно, изменение потенциала изменяет фазу джозефсоновских осцилляций. А какова примерно величина эффекта? Мне кажется, чувствительность должна быть примерно как у сквидов. С другой стороны, тогда все джозефсоновские контакты в мире на раз бы ловили малейшие изменения полей вокруг, а уж 50 Герц были бы вообще адом.
Basharin_MISIS
Прекрасный вопрос! Вы опережаете время :)
Это все нам еще предстоит выяснить в рамках исследования! И это не простая задача! Потому что надо будет при измерениях отделить влияния полей от потенциалов. Но нет ничего невозможного :)
qbertych
Здорово =). У меня грубо (из калибровочных преобразований) получается, что можно зарегистрировать изменение вектор-потенциала порядка 10-10 Вб/м, что вроде бы немного.
А можете какие-нибудь экспериментальные статьи на эту тему упомянуть, где используют одиночные контакты, а не сквиды (понятное дело, пока без анаполей)? Мне по комбинациям слов «Josephson junction» и «magnetic potential» ничего найти не удалось. Или такого еще не делалось?
grekmipt
Чтобы и другим было ясно ), вот очень толковый и доступный для понимания обзор в Соросовском образовательном журнале за 2001г, N8 том 7 по теме джозефсоновских контактов, их осцилляций и всего что «около».
Если кратко, то при наличии разности векторного потенциала на электродах джозефсоновского контакта, фаза осцилляций тока имеет постоянную сдвижку (пропорциональную разности вектор-потенциала). Так что если сам по себе вектор-потенциал переменный (и не сопровождается полями) — это означает переменную фазу осцилляций тока/напряжения в контакте, что вполне поддается измерению.
Из этого проистекает интересный вопрос.
Если у нас есть статический вариант (по Ааронову-Бому, скажем тороидальный соленоид с ненулевым вектор-потенциалом и нулевыми полями снаружи соленоида), то что мешает взять 2 джозефсоновских перехода с токами текущими в противоположных направлениях? Сдвижка фазы (в силу наличия разности вектор-потенциала) у них будет иметь противоположный знак (относительно направлений токов), а это значит что подав напряжение одновременно на оба контакта — можно измерить разность фаз осцилляций таких противоположных токов (она будет равна удвоенной разности фаз на одном переходе).
Т.е. получить что-то типа «локального детектора Ааронова-Бома», такой штуки которая локально измеряет вектор-потенциал всего лишь двумя джозефсоновскими переходами и обычной электротехникой (или даже осциллографом на десяток гигагерц), без необходимости проводить технически очень непростое рассеяние пучка электронов на сверхпроводящем микро-соленоиде в вакууме. Ммм?
qbertych
У меня такая же мысль возникла, но с одним джозефсоновским переходом: просто смотреть на скачки фазы при изменении вектор-потенциала. С двумя, конечно, попроще будет.
Еще тут важно помнить, что изменению вектор-потенциала соответствует изменение фазы, при этом обе величины определены с точностью до константы (хотя бы из тех же калибровочных преобразований). Абсолютное значение измерить не удастся даже двумя джозефсоновскими переходами, потому что начальная фаза осцилляций в каждом из них задается случайно в момент включения напряжения (или даже в момент перехода в сверхпроводящее состояние).
grekmipt
даже в случае полностью случайной начальной фазы — имеем что фаза равна системной (в пространстве) сдвижке плюс случайная и постоянная во времени величина.
Так что одновременно измерив это дело по большому кол-ву точек пространства, далее можно чисто аналитически вытащить системную (пространственную) сдвижку и отфильтровать шумовую добавку (по сути измеряется сумма некоей гладкой пространственной функции и шумовой добавки — разумеется шум в таком случае можно отфильтровать). Т.е. можно найти градиент векторного потенциала. В общем, задача решаема — причем именно для локального варианта. Что совершенно неожиданно, и порождает массу вопросов фундаментального/филосовского характера…
qbertych
Градиент вектор-потенциала измерить, разумеется можно. Либо двигая один измеритель, либо измеряя одновременно несколькими с предварительно откалиброванными фазами. Но это не позволяет измерить абсолютную величину вектор-потенциала, равно как и абсолютную фазу любого из джозефсоновских контактов.
Меня именно это больше всего впечатлило: неопределенность вектор-потенциала ровно такая же, как и неопределенность фазы. И абсолютных значений у этих величин не существует. Как бы это и есть суть калибровочных преобразований, но я раньше об этом как-то не задумывался.
(Но маленький вопрос остался: вектор-потенциал определен на R3, a фаза — от нуля до двух пи. Нет ли здесь какого-то несоответствия? Мне кажется, нет.)
grekmipt
Угу, разумеется зная градиент — можно восстановить векторное поле только с точностью до константы. Но это уже не принципиально — потенциалы вообще определены с точностью до константы (тот же скалярный потенциал например), какую константу удобно такую и берем, проще всего обычно брать нуль.
Фаза да, штука одномерная. Но и измеряем мы фазу (таким способом) — только по одному измерению из трех (а именно по прямой параллельной току в переходе). Если сделать систему из трех взаимно ортогональных джозефсоновских переходов то ессно получим уже измерение разности фаз в виде вектора. Так что да, несоответствия тут нет.
grekmipt
Меня в этом вопросе (передачи инфы в отсутствие полей) больше всего удивляет вот чего. Если возможно измерение градиента вектор-потенциала (например электронами двигающимися в электронном пучке рассеиваемом на соленоиде — нелокальное измерение, или же куперовскими парами двигающимися в джозефсоновском переходе — локальное измерение), то это означает, что в объективной реальности в одной инерциальной системе отсчета никаких полей нет, а в другой инерциальной системе отсчета (связанной с движущимися электронами) электроны меняют свои параметры. Понятно что это квантовый эффект и всё такое, но тем не менее — де факто эти две инерциальные системы таковы, что в одной системе полей нет а в другой они (формально) есть (т.к. есть изменение параметров электронов). Т.е. получается что на прямом эксперименте физически наблюдаемые эм-поля отнюдь не подчиняются СТО в широком смысле (если под эм-полем понимать то что «воздействует» на электрон). В одной инерциальной системе никаких полей нет вообще и на покоящийся в такой системе электрон ничего не действует, в другой инерциальной системе на покоящийся в такой системе электрон есть (пусть и квантового характера) воздействие.
Ммм… а тогда и требовать применимости преобразований Лоренца к полям получается что нельзя. Но современная форма ур-й Максвелла получена именно из постулата о том, что поля должны подчиняться лоренц-преобразованиям (первоначальная формулировка уравнений по самому Максвеллу как раз не соответствовала СТО в силу того что у него стояла полная производная векторного потенциала по времени, но в дальнейшем от этого отказались как от физически невозможного варианта, явным образом постулировали что поля подчиняются СТО, и тем самым получили уже современного Максвелла с частной производной векторного потенциала по времени — понятно что на тот момент об эксперименте Ааронова-Боам еще никто даже близко не подозревал).
Фактически же мы имеем ситуацию когда физические процессы в двух инерциальных системах координат принципиально разные, и в смысле наблюдаемых полей, в одной системе наблюдаемых полей нет вообще (и нет их воздействия на частицы), а в другой системе воздействие на частицы есть (учитывая что всегда можно произвести переход от квантовой механике к классической, т.е. можно вывести формально действующий на электроны «квантово-классический» фактор).
Понятно что тут речь про стык классической и квантовой теорий, но тем не менее.
qbertych
Хм. Мне кажется, проблема где-то в самом начале:
1) Можно ли связать ток через джозефсоновский контакт с ИСО? Он осциллирует, а значит, есть ускорение.
2) Как в принципе связать СО с туннелированием?
grekmipt
не соглашусь:
1) инерциальность вообще говоря не требуется, всегда можно написать явные формулы ТО для перевода полей из одной системы координат в любую (вне зависимости от того являются ли эти ИСО инерциальными или нет). Но в любом случае очевидно что как не переводи поля — из строго нулевых полей, невозможно получить ненулевой действующий на электроны полевой фактор. А это ставит под вопрос требование (т.е. постулат) о принципиальной возможности таких преобразований наблюдаемых полей в общем случае (и именно из такого требования по сути и получается классический Максвелл). Получается что требовать можно это дело только для векторного потенциала, а для полей могут быть разные ситуации. А это уже даст совсем другие ур-я Максвелла — впрочем сводящиеся к классическим в подавляющем большинстве случаев.
2) не вижу здесь проблемы — туннелирование не есть мгновенный процесс. Т.е. в любом случае это некоторая динамика (волновой функции а значит и вероятности обнаружения электрона в пространстве). В процессе туннелирования в любом случае есть плавное смещение облака наиболее вероятного положения электрона (обычно просто рассматривают итоговые состояния волновой функции — до туннелирования и после, но это не значит что процесс носит мгновенный характер и нет промежуточных во времени состояний волновой функции), к которому и можно привязать СО.
qbertych
Мне кажется, изменение фазы при изменении потенциала — это изменение не параметров конкретных электронов, а исключительно всей системы в целом. Хотя если назвать это «изменением тока в конкретный момент», то вопрос остается. Интересно, надо подумать.
Насчет туннелирования — оно не мгновенно, но динамики у него нет, т.к. оно работает вблизи гейзенберговского лимита. Поэтому временное разрешение примерно равно времени туннелирования.
grekmipt
Интересно что надумаете ). Я по квантмеху очень давно уже ничего не выводил руками, так что тут я как в анекдоте — «чукча не писатель, чукча читатель».
Это верно, но в любом случае ничто не мешает задать центром отсчета СО — так или иначе заданный «центр тяжести» волновой функции электрона. Вопрос же был — как принципиально связать СО и туннелирование. Ну вот так например. Или еще множеством способов, если поупражняться в воображении. Т.е. это не есть принципиальны вопрос по идее.
DrSmile
Все физически измеримые характеристики электромагнитного поля сводятся к следующей величине: набеганию фазы на замкнутом контуре. Набегание фазы — это интеграл вдоль кривой от проекции 4-потенциала на эту кривую. Только эта величина лоренцево и калибровочно инвариантна, все остальные комбинации потенциалов физического смысла не имеют. Причем контур может быть как чисто пространственный, так и пространственно-временным.
Если взять бесконечно малый контур, то мы получим напряженности магнитного (чисто пространственный контур) и электрического (пространственно-временной) полей. Однако, если брать большие контура, то можно придти к гораздо более интересной физике, подобной описанной в статье.
Так вот, джозефсоновский контакт меряет набег фазы на кольце сверхпроводника к нему подключенного. Соответственно, если это кольцо маленькое, то получаем измеритель магнитного поля. А вот если кольцо большое, то получаем детектор анаполей, находящихся в окрестности детекторного контура. Однако, альтернативная точка зрения на этот детектор состоит в том, что он измеряет интегральное магнитное поле на поверхности, натянутой на кольцо. Т. е. воображаемая детекторная поверхность цепляет внутренность анаполя с ненулевыми магнитными полями.
В эффекте Ааронома-Бома тоже присутствует замкнутое детекторное кольцо, образованными парой путей электронов с разной стороны объекта. В общем, здесь нигде нету нарушений ни лоренцевой, ни калибровочной инвариантности.
grekmipt
Насколько я понимаю, джозефсоновский переход совершенно не требует замыкания сверхпроводника в кольцо — кольцо может быть и из обычного проводника (собственно что и описано в обзоре по таким переходам выше). При этом, осцилляции в переходе всё равно будут иметь место — так что будет измеряться не набег фазы по кольцу, а набег фазы вдоль короткого незамкнутого контура (вдоль перехода). Или это не верно (в чем)?
Если это верно, то тогда речь именно про локальную детекцию векторного потенциала (не требуется замкнутого контура) — и тогда всё вышеописанное имеет смысл.
grekmipt
Собственно, именно об этом в том числе идет речь в статье и патенте выше — что интеграл по замкнутому контуру нуль (магнитного поля нет) и по пространственно-временному тоже нуль (электрического поля нет) в любой момент времени. При этом векторный потенциал является переменным во времени, а значит (вне зависимости от того чем замкнут джозефсоновский переход, проводником или сверхпроводником) на самом переходе будет меняться во времени фазовая сдвижка осцилляций — что можно мерить.
Т.е. речь идет про локальную детекцию векторного потенциала, точнее его локального пространственного градиента (то бишь про измерение физически наблюдаемых величин) при условии когда интегралы по замкнутым кривым — нулевые.
Вы же, похоже, утверждаете что это (детекция локального градиента векторного потенциала таким переходом в ситуации когда интегралы по замкнутым контурам нуль) невозможно, и не нулевой результат измерений динамики фазы осцилляций перехода будет только если интеграл по замкнутому контуру не нулевой (или что то же самое, внутри такого замкнутого контура расположен анаполь). Почему?
DrSmile
Локальная детекция векторного потенциала — это нечто на уровне изобретения вечного двигателя. И то и то нарушает фундаментальную симметрию природы. У вас путаница, от чего и по чему вы интегралы считаете. Физический смысл имеют интегралы по контурам от потенциала. Интеграл по контуру от магнитного поля бессмысленен, имеет смысл только магнитный поток из обзора — интеграл по поверхности, ограниченной контуром (он же совпадает с интегралом по контуру от потенциала). Соответственно, даже если в окрестности контура поля нулевые, интеграл по поверхности, натянутой на этот контур, цепляет внутренние области с ненулевыми полями.
grekmipt
Интегрировать магнитное поле по кольцу я нигде не предлагаю, где Вы такое вычитал? Во всех интегралах по контуру я разумеется подразумеваю интеграл по вектор-потенциалу, а никак не по наблюдаемым полям.
вы вполне правы в том что
Но в случае когда переход замкнут не сверхпроводником а обычным проводником — набег фазы интегрируется не по замкнутому контуру, а сугубо вдоль короткого отрезка этого туннельного перехода. И в результате такой набег фазы (т.е. сдвижки фазы колебаний тока) является переменным во времени из-за изменения во времени самого вектор-потенциала.
С этим вы спорите, или нет? Не могу Вас пока понять.
Т.е. подход в статье говорит, насколько я понял статью и дальнейшее общение с автором, о возможности измерить локальный сдвиг фаз (вносимый вектор-потенциалом) в джозефсоновские осцилляции, при условии что этот сдвиг фаз осцилляций меняется во времени (в силу изменения во времени самого вектор-потенциала, т.е. его градиента, что при этом не сопровождается никакими полями). Т.е. есть осцилляции на переходе, со сдвигом фазы осцилляций зависящих только от локальной разницы вектор-потенциала (на разных сторонах перехода) в силу того что переход замкнут обычным проводником, а не сверхпроводящим кольцом (и это в данном случае «две большие разницы»).
В результате во времени меняется разность фаз осцилляции тока (в силу изменения во времени градиента вектор-потенциала), конкретно на туннельном переходе. Т.е. локально. Что и можно измерить.
Насколько я понял, именно об этой возможности — и патент и часть статьи.
DrSmile
Во всех измерениях могут фигурировать исключительно замкнутые контуры. Например, изменение со временем набега фаз на отрезке — это на самом деле набег фаз на замкнутом пространтсвенно-временном контуре. Такой прибор, в сущности, измеряет интеграл от напряженности электрического поля на этом отрезке.
grekmipt
Ну я не поленился и прочитал — что написано в патенте https://www.google.com.ar/patents/US4432098, который в качестве комментария привел автор статьи выше.
Цитирую из патента:
и далее по тексту
Таким образом, в патенте речь на мой взгляд явно про интеграл конкретно вдоль длины туннельного перехода, а отнюдь не по замкнутому контуру.
В обзоре который приведен выше так же совершенно спокойно пишут именно про интеграл вдоль перехода (т.е. вдоль незамкнутой кривой). И отдельно пишут что в случае когда переход замыкается не проводником а кольцом — появляются другие свойства такой системы.
Вот из этого я и сделал тот вывод с которым Вы не согласны.
Измерение потенциалов это разумеется глупость, просто потому что сам потенциал это штука определенная с точностью до константы (ну и калибровочных добавок в случае вектор-потенциала).
Но ничто не запрещает померить разность потенциалов. Вы всерьез беретесь утверждать, что разность скажем электрического потенциала (т.е. обычное напряжение) вдоль незамкнутого контура невозможно померить? Разумеется, такую разность потенциалов померить можно. И я пока не вижу причин почему векторный потенциал в этом смысле является исключением.
А в случае если локальную разность потенциалов измерить можно — то тогда из этого как раз и следует всё что я пишу выше.
DrSmile
В обзоре же я не увидел упоминаний электромагнитных потенциалов в принципе. Там говорится про разности фаз волновых функций электронов, но это совсем другая вещь (хоть и связанная). Если помимо электромагнитного поля рассматривать заряженные частицы в этом поле, то кроме набега фаз на контуре появляется и другая физически измеримая величина — электромагнитный набег фаз на незамкнутом контуре плюс разность фаз волновых функций частицы на концах этого контура.
Именно, разность скалярных потенциалов в двух точках имеет смысл только в случае независимых от времени конфигураций полей и соответствующей калибровке потенциалов. При этом вклад первого и третьего сегментов контура, описанного выше, сокращается и остаются только концевые вклады.
grekmipt
Ну да, разумеется. Сдвиг фазы осцилляций тока автоматически сопровождается и сдвигом фазы осцилляций напряжения (ведь при таких осцилляциях есть две компоненты тока — сверхпроводящая и обычная, и у второй есть падение напряжения на контакте). Это падение напряжения в явном виде никак не относится к внешнему полю электрическому или магнитному (которые строго нуль, при ненулевом вектор-потенциале).
Не вижу чтобы это как-либо противоречило чему-либо, и как раз об этом я и писал выше. Я же как раз и пишу что и ток и напряжение получают динамику сдвига фазы осцилляций, которые можно измерить, и для этого достаточно именно локального джозефсоновского перехода — т.е. совершенно не важно где находится при этом источник поля относительно замкнутого контура перехода (и замыкать его можно обычным проводником, сколь угодно малой длины).
Вектор-потенциал меняет набег фазы волновой функции электронов туннелирующих через переход, что приводит к изменению фазы для туннельного тока, что приводит к изменению фазы осцилляций падения напряжения на переходе, что можно измерить.
Т.е. получаем локальный измеритель разности векторного потенциала.
В результате, таким переходом можно измерить локальную разность вектор-потенциала. Вы с этим вроде как не согласны, но при этом фактически это же и подтверждаете своими рассуждениями про напряжение на контакте.
С чем спорите, поясните?
Ну про то и речь, есть вектор-потенциал и есть туннелирующие электроны. Т.е. у нас с Вами согласие — таки можно таким переходом измерить динамику набега фазы туннелирующего электрона во времени (что пропорционально разности вектор-потенциала на переходе)?
В общем случае — да. Однако, возьмем ситуацию в которой расстояние между двумя точками много меньше длины волны. Ну т.е. обычный переменный ток на 50 Гц в проводе (переменные во времени поля), и расстояние в обычные скажем метры/километры. Разность скалярного потенциалов вдоль такого провода будет иметь (хотя и не строго, но очень с высокой точностью) простой смысл падения напряжения, хотя поля и переменные во времени.
В случае джозефсоновского перехода — очевидно что его необходимо брать с поперечными размерами много меньше длины волны (а значит и продольный размер много меньше длины волны), и тогда разность векторного потенциала на переходе имеет простой физический смысл — она пропорциональна смещению фазы осцилляций тока/напряжения на контакте. Нет?
DrSmile
Короче, тезисно поясню свои мысли.
Есть две неопределенные величины: сдвиг фазы волновой функции и набег электромагнитной фазы на кривой. Из того, что их комбинация имеет смысл, не следует, что можно четко определить одну из составляющих.1) Измерить набег потенциала на незамкнутой кривой принципиально невозможно.
2) Измерить производную от этого набега можно, ибо она соответствует замкнутому контуру.
3) В случае, когда длина кривой маленькая, эта производная суть напряженность электрического поля.
4) Изменяющийся по времени вектор-потенциал дает вклад в напряженность электрического поля и называть его «необнаружимым» некорректно. Релевантная формула:
5) Соответственно, локальный джозефсоновский контакт меряет напряженность электрического поля.
Ну я и говорю, что разность имеет смысл только тогда, когда с достаточной точностью соответствует замкнутому контуру, т. е. вкладами некоторых секторов можно пренебречь.
grekmipt
Ну вот по п.4-5 как раз и вопрос.
В варианте который рассматривается в статье, внешнее электрическое поле строго нуль в любой момент времени, при том что векторный потенциал не нуль и переменный во времени (и разумеется компенсируется переменным во времени скалярным потенциалом). Ротор такого вектр-потенциала так же строго нуль в любой момент времени. Т.е. полей нет в любой момент времени — а векторный (и скалярный) потенциалы не нулевые, и переменные во времени. Ну формулы вот так вот утверждают для ситуации тороидального соленоида и диполя, работающих в противофазе и имеющих одинаковую мощность излучения.
При этом, скалярный потенциал разумеется не вызывает набега фазы волновой функции электронов, а векторный — вызывает. Что меняет фазу осцилляций тока.
Переменное напряжение на контактах перехода появляется — но никак не привязано к этим векторным потенциалам сопровождающимся нулевыми полями (а вызвано сугубо постоянным напряжением приложенным к переходу). А вот осцилляция фазы этого напряжения — уже оказывается зависима от такого внешнего векторного потенциала.
Так что в п.5 вы снова правы — и снова не про то. Речь не про измерение напряжения (т.е. не про амплитуду), а речь про измерение сдвижки фазы осцилляций этого напряжения. Которая явным образом и зависит от внешнего вектор-потенциала.
Итого, я Вам про конкретный эффект — а Вы мне про общие теоретические концепции. Оспаривать абстрактные теоретические леммы — на мой взгляд смысла нет, мы же конкретную статью/патент обсуждаем.
Т.е. либо обоснуйте что такая вот детекция сдвижки фазы осцилляций напряжения на джозефсоновском переходе (вызванная внешним векторным потенциалом меняющимся во времени, что и следует из квантмеха) невозможна в общем случае — и мне в самом деле интересно так это или нет, т.к. пока то что доступно по материалам выше, насколько я понимаю, подразумевает что это возможно, и об этом же сама статья и патент.
Или согласитесь что такая детекция фазы возможна в общем случае — а тогда нам вообще не о чем спорить.
DrSmile
Это из серии: «что вы мне про закон сохранения энергии говорите, мы же конкретную модель вечного двигателя рассматриваем».
Что в классической, что в квантовой электродинамике локальное измерение чего либо, помимо напряженности электрического и магнитного поля принципиально невозможно (см. главу про калибровочную инвариантность в учебнике по электродинамике, желательно с лоренц-инвариантными обозначениями, типа A?, F??). Соответственно, статья и патент:
1) либо про нелокальную детекцию;
2) либо про локальную, но поля не точно равны 0, а малые, просто так измерению не поддаются;
3) либо ниспровергают электродинамику и изобретают вечные двигатели.
Исходя из того, что статья печаталась в Nature, пункт 3 отбрасываем. А судя по картинкам в патенте, где вокруг башни нарисованы торообразные конструкции, я склоняюсь к п. 1.
grekmipt
Вашу точку зрения понял, спасибо.
Торообразные конструкции в патенте приведены как пример источника векторного потенциала, но в самом патенте нет ни слова о локальности или нелокальности приёма, к сожалению…
Справедливости ради, в патенте рассматривается ситуация переменного во времени вектор-потенциала с условие rotA=0 («curl free field»), при этом электрическое поле соответствующее dA/dt там рассматривается не нулевым. То, что аналогичную штуку можно осуществить и при условии нулевого электрического поля — это, я так понимаю, уже идея автора статьи.
Хотя наличие ненулевого электрического поля (а процесс периодический) невозможно без поля магнитного (rot H = j+dD/dt, но ток у нас в вакууме нуль — так что, раз dD/dt не нуль то такое поле не может быть «curl free» как описано в патенте). Т.е. патент по сути противоречит сам себе/электродинамике в явном виде.
С одной стороны оно понятно что добавь к вектор-потенциалу градиент произвольного скаляра (который может быть как угодно велик локально) — поля не изменятся (хотя локальный набег фазы изменится), т.е. говорить о локальной детекции набега фазы вроде как бессмысленно.
С другой стороны, совершенно непонятна ценность такого метода передачи информации в случае нелокального измерения — это же всё равно что приёмник непосредственно совмещен с источником, практического смысла не просматривается вообще от слова никак. С третьей стороны, в патенте есть внутренние противоречия (ситуация rot A(t) =0 невозможна если скалярный потенциал нуль и электрическое поле автоматически ненулевое и переменное во времени), и недосказанность (о локальности/ не локальности детектора). С четвертой — Вы правы в том, что откровенную шляпу в Nature напечатать могли с крайне низкой вероятностью…
В общем, окончательной ясности (где что имеется ввиду, и является ли фейком или нет) пока получить не удалось. Жаль. Вопрос то интересный.
grekmipt
Немного покрутил в голове то, что обсуждаем с Вами. И то до чего додумался как-то ни в какие ворота не лезет.
Анализируем вопрос «осмысленности» или «не осмысленности» локального значения потенциалов (что скалярного что векторного). Современная трактовка (это именно трактовка не какое-то отдельное требование), основанная на калибровочной инвариантности потенциалов состоит в том, что физ-смысл имеют только интегралы по замкнутым контурам от таким потенциалов. Это кажется очевидным, ведь интеграл по незамкнутому контуру может быть произвольным (если добавим соответствующую добавку имеющую нулевое влияние на наблюдаемые поля).
Однако физически полей не бывает без источников поля. Т.е. вообще любое эм-поле, какое бы оно ни было, было когда-то порождено соответствующим источником поля, коим является заряд/движение заряда, и иного не дано в принципе. Даже когда рассматривают решение ур-й Максвела без источников поля (скажем ищут собственные моды резонатора), всё что на самом деле делается подразумевается — это то, что источник поля был, но он помещен в минус-бесконечность (по времени и/или пространству), так что он просто «не попадает» в анализ.
Но в любом случае, из чисто физических соображений строго следует что поля порождаются только движением зарядов (например, та же функция Грина это принципиально двухточечная функция — в ней в явном виде есть точка источника поля). Это означает что вообще говоря, в случае ряда специфических вопросов — рассматривать поля отдельно от зарядов их порождающих принципиально нельзя.
Например, как раз таков вопрос о наличии физ-смысла у локального значения потенциалов поля.
Берем точечный источник поля в виде такой системы про которую статья (точечные диполь + тороидальный соленоид, работающие в противофазе так что внешние эм-поля строго нуль в любой момент времени). Чисто теоретически это вполне допустимо, так же как рассматривать и точечный диполь (для него будет ровно та же логика).
Наша система, порождающая поле обладает рядом красивых симметрий (осевая симметрия, и по углу на горизонт). Но если система порождающая поле имеет симметрию, то это строго логически означает, что описание поля, порожденного такой системой (вообще не важно каких терминах/формализмах оно делается), исходя из физических соображений — строго обязано иметь ровно такую же симметрию. И не важно что при этом говорит калибровочная инвариантность — решения которые не имеют такой симметрии для такого источника следует отбрасывать как не имеющие смысла, исходя из физических соображений. Это совершенно стандартный в физике подход, массово применяемый. Но это означает что потенциалы определены с точностью до добавок, которым соответствует симметрия источника, а это намного более сильное ограничение нежели калибровочные инварианты. Все прочие варианты потенциалов (даже если они удовлетворяют калибровочным инвариантам т.е. дают нулевую добавку в наблюдаемые поля) строго необходимо отбрасывать. Т.к. мало получить те же поля — строго необходимо получить описание полей которое имеет ту же симметрию что и источник поля. В противном случае, такое эм-поле уже принципиально не является порожденным исключительно рассматриваемым источником поля, а является суммой эм-полей от разных источников (даже если наблюдаемые поля при этом не меняются).
Если наложить такое (вполне строгое в смысле логики) требование симметрии на потенциалы от такого источника, то легко показать что потенциал становится определенным с точностью до константы зависящей от радиуса r в цилиндрической системе координат. Для каждого радиуса (в цилиндрической системе координат), т.е. точек лежащих на цилиндре с осью совпадающей с осью симметрии источника — своя произвольная константа, но одинаковая для любых точек лежащих на таком цилиндре.
Это всё означает, что устоявшаяся уже как сотню лет трактовка о произвольности потенциалов в смысле калибровок — не соответствует физической реальности. В физической реальности произвольность потенциалов от источника остается, но эта произвольность намного более слабая нежели в рамках калибровочной произвольности, просто в силу того что поле источника необходимо рассматривать не само по себе, а строго в связке с источником.
В частности, всё то же самое верно и для точечного диполя (вектор потенциал чисто физически произволен только с точностью до константы, своей для каждого радиуса). А как известно, любой источник эм-поля принципиально можно разложить на совокупность диполей — так что и для произвольного источника поля (не обладающего красивой симметрией) остаются такие же сильные ограничения на произвольность потенциалов (так что остается только константная сдвижка от радиуса в соответствующих нелинейных в общем случае системах координат).
Итого, устоявшаяся интерпретация по произвольности вектор-потенциалов ошибочна (произвольность существует но намного слабее чем принято считать), и чисто физически в рассматриваемой ситуации интеграл от вектор-потенциала вдоль отрезка кривой лежащей на цилиндре r=const может иметь только постоянную добавку, одинаковую для любого положения этого отрезка на таком цилиндре. Это означает, что для такого источника, разность векторных потенциалов вдоль незамкнутой кривой, в случае когда кривая лежит на цилиндре r=const, полностью определена и не имеет вообще никакой произвольности. Иначе говоря, такая разность имеет физический смысл (т.к. однозначна), и значит может быть измерена локально.
DrSmile
То что вы делаете — это просто фиксация калибровки. В специально выбранной калибровке могут иметь физический смысл даже абсолютные значения потенциалов. Очевидно, что каждое значение с физическим смыслом соответствует какому-то контуру, поэтому не вижу никаких проблем. Однако, т. к. калибровка физического смысла не имеет, то гораздо эффективнее выбирать ее с точки зрения наибольшего удобства для конкретной задачи, а не прибивать гвоздями какую-то одну.
На самом деле, конфигурации потенциалов, отличающиеся только калибровкой, соответствуют идентичному физическому объекту. Калибровка абсолютно аналогична выбору системы координат: одному и тому же объекту могут приписываться разные координаты, однако он остается при этом тем же объектом.
grekmipt
Ммм… возможно я туплю, но вот Вы выше пишете в тезисах
Если мы говорим про потенциал который вот так вот фиксирован (исходя из симметрии задачи), то набег потенциала вдоль незамкнутой кривой может быть однозначно определен и иметь физ-смысл (с чем Вы, насколько я понимаю, согласились). А значит может быть измерен, как любая величина имеющая физ-смысл. Так что тогда Ваш тезис не ясен. И тогда возникает 2 вопроса ниже:
1. Если набег вектор-потенциала (в некоторой калибровке) однозначно определен (в силу симметрии задачи) вдоль скажем джозефсоновского перехода (фаза осцилляций тока в котором зависит от внешнего вектор-потенциала насколько я понимаю), то что мешает получить на отдельном джозефсоновском переходе локальную реакцию на динамику такого потенциала во времени (даже в ситуации когда наблюдаемые поля, соответствующие такому вектор-потенциалу, нулевые в любой момент времени)?
2. Насколько я понимаю, Вы говорите что это возможно только если контур замыкающий джозефсоновский переход — обходит источник (т.е. реализуется ситуация нелокального измерения, отчасти похожая на эффект Ааронова-Бома). Но тогда ситуация выглядит очень странно в случае использования обычного (не сверхпроводящего) провода для замыкания перехода. Т.к. на всём этом проводе квантовых эффектов нет, равно как и нет полей. Но при этом, поведение джозефсоновского перехода будет зависеть от того, как расположен этот провод (не являющийся устройством с квантовым поведением на макро уровне) относительно источника.
DrSmile
1. Набег потенциала на незамкнутой кривой в выбранной калибровке однозначно соответствует набегу потенциала на контуре в произвольной калибровке, который уже имеет физический смысл. Т. е. фиксация калибровки, в сущности, задает правила замыкания контура.
2. Квантовые эффекты есть всегда, ибо мы живем в квантовом мире. Фазу волновой функции заряженной частицы при движении всегда подкручивает набегом потенциала вдоль траектории, независимо от того, где конкретно она летит.
grekmipt
Ага. Тогда по пунктам —
1.Т.е. в выбранной калибровке — возможно измерить набег потенциала вдоль незамкнутой кривой? Ведь он же однозначно определен.
2. Это понятно, что материя состоит из квантовых частиц. Но фактически вы говорите, что если в эксперименте Ааронова-Бома пучок электронов заменить обычными проводам обходящими соленоид с двух сторон, то это так же позволит (неким экспериментом, фиг его знает каким но принципиально возможным) задетектировать соленоид внутри, в силу разного набега фазы вектор-потенциала на токах в таких проводах? На мой взгляд это как-то перебор…
DrSmile
1. Да, только это будет замаскированный набег фазы на замкнутом контуре.
2. Скорее всего нет, потому что вклад от каждого электрона будет немного разным и сумма этих вкладов похоронит эффект. Плюс еще есть возмущающее взаимодействие с фононами. Возможно, эффект будет не только в сверхпроводящем состоянии, но и просто на достаточно холодном металле. В общем, тут я не специалист.
grekmipt
Ага.
1. Хорошо назовем это замаскированным набегом фазы на замкнутом контуре — имея ввиду разность вектор-потенциала на длине джозефсоновского перехода (вектор-потенциала который создается источником с осевой симметрией, как в статье или патенте). Наблюдаемые поля от источника пусть строго нуль, а вот вектор-потенциал (в такой калибровке, и такой симметрии) не нуль, переменный во времени (как и скалярный потенциал разумеется) и его разность строго определена вдоль джозефсоновского перехода. Тогда такую локальную разность вектор-потенциала, при полном отсутствии локальных полей от источника, возможно измерить (чисто локальным, находящимся вдалеке от источника, с локальным коротки проводом замыкающим переход — который никак не дотягивается до источника) вдоль этого перехода (самим этим вот переходом как квантовым объектом чувствительным к набегу фазы такого вектор потенциала)? Ведь локальный набег фазы в такой ситуации определен однозначно — а значит, по идее, измерим локально.
2. Ну да, я тоже уверен что ничего на проводах не померить. Просто потому что любые квантовые эффекты очень быстро «рассеиваются», в силу отсутствия когерентности у электронов в обычном проводнике. Но ровно это же справедливо и для случая когда джозефсоновский переход замкнут обычным проводником который огибает источник…
DrSmile
1. Фиксацией калибровки невозможно изменить физический смысл. Локально можно измерять только напряженность полей. Это строгий математический факт и если у вас получается обратное, то просто где-то в выкладках ошибка.
2. В случае с джозефсоновским переходом, замкнутым обычным проводником, вообще, непонятно что он там меряет. Моя гипотеза — что напряженность электрического поля в месте перехода, но я не специалист.
1Tiger1
Я не физик, но я люблю физику, думал что разбираюсь на достаточном уровне чтобы при желании понять о чем речь, пусть не до конца но хотя-бы общие принципы, хотя-бы о чем пишут. И раньше так и было. Я прочитал статью, я второй раз прочитал статью, на третьем я сдался, я не понял ничего, от слова вообще. Понятные слова не складываются в осмысленные предложения. Я не знаю поблагодарить за то что «открыли глаза» или возмутиться тому что многократно «изнасиловали мозг», но я знаю что 99% аудитории этого ресурса не поймут статьи, слишком хорошая и специфичная подготовка нужна. «согласился написать статью в научно-популярном формате» — c научностью может ок, не знаю, не осилил, но с популярностью провал полный.
И есть к вам просьба/совет — не надо желтых заголовков, у вас же цель не загнать кучу народа на рекламную статью, по существу оно гораздо лучше. «Прорыв», «Эксклюзив. Сила и контроль» — вы серьезно? что дальше будет, «Сенсация!!», «Гениальное исследование!»?
«Можно ли увидеть невидимое? Прорыв в электродинамике: анаполь позволит скрытно передавать данные» — так можно увидеть невидимое или нет? Покажите мне где именно в статье описано как именно «анаполь позволит скрытно передавать данные». «При этом передача данных возможна за счет модуляции векторного потенциала, а привычное распространение электромагнитных волн (света) в системе будет отсутствовать.» — вот это? Одно предложение? Может он и позволит, но статья вообще про это?
alecv
Эээ… Просто в статье все излагается на языке диф.геометрии: «ротор поля наподобие дивергенции градуирует себя вдоль спина» (с)АБС.
Теорию старика Максвелла без теоремы Стокса понять очень сложно или даже невозможно, а это 19-й век.
Извините, если что не то сказал.
fundov
Соглашусь, с популярностью мы немного промахнулись :)
В свою защиту хотелось бы сказать, что тема действительно узкоспециализирована и, как показывают комментарии, многие, будучи физиками, не сразу поняли, о чем речь, к тому же, в публикации мы просили автора дать экспертный комментарий касательно статьей, опубликованных в ведущих научных журналах, поэтому без специальной терминологии, к сожалению, не обойтись. Также хотелось бы сказать, что у нас работает пресс-служба, которая очень качественно готовит пресс-релизы для читателей широкой аудитории, где представлены интервью с ведущими учеными и специфическая научная терминология сведена к минимуму. Наш корпоративный блог все же предполагает более профессиональную подготовку в конкретной области и подразумевает обратную связь автора на комментарии. Поэтому не хотелось бы совсем спускаться до «популярного», а все же придерживаться научной дискуссии. Но мы обязательно подумаем над этим вопросом, чтобы заинтересовать как можно больше читателей, и в будущих публикациях все учтем.
Наверное, вы имеете в виду заголовок: Прорыв в электродинамике: анаполь позволит скрытно передавать данные
Возможно, слишком громко в рамках данной публикации, но относительно прорыва в электродинамике — появится возможность передавать данные с помощью электромагнитных потенциалов, а не с помощью электромагнитных полей. Сейчас же известен только второй способ. Возможное действие указано в будущем времени «позволит». Выдвинута теория, которая в ближайшее время в указанной лаборатории будет проверена экспериментально. Поэтому противоречий в заголовке нет.
«Эксклюзив. Сила и контроль»
Наверное, вы имеете в виду заголовок: Эксклюзив. Сила и контроль: при сжатии осмия до 7 млн. атмосфер обнаружено взаимодействие между внутренними электронами атомов
«Эксклюзив»
Публикация в Nature для ученых — это как участие в лиге чемпионов для клубов середняков, уж извините за такую аллегорию. Без преувеличения, это действительно уникальное событие для ученого сообщества. У журнала Nature действует строгое правило: до публикации статьи в журнале ничего не должно выходить на сторонних ресурсах. Игорь Абрикосов строго просил соблюсти это правило, так как выслал нам пресс-релиз заранее. Через пять минут после публикации в Nature пресс-релиз был в нашем корпоративном блоге на GT. Справедливости ради стоит отметить, что на всех других ресурсах он появился значительно позднее.
Что касается остальной части заголовка, это уже прерогатива автора указать какой будет заголовок у пресс-релиза на статью в Nature, в которой был описан эксперимент по сжатию осмия, в ходе которого был поставлен мировой рекорд.
stychos
Я вот в физике не очень, но физический смысл описываемого отдалённо уловил. Ваших претензий не разделяю.
webhamster
Прекрасный образчик того, как не нужно писать «статью в научно-популярном формате».
Что из всего этого должен понять потенциальный читатель? Ведь предполагается, что статью читает не специалист.
> В 1957 году советский физик Яков Зельдович ввел понятие тороидного дипольного момента для объяснения нарушения четности в атомном ядре при слабых взаимодействиях.
Это понятно.
> Тороидный диполь – это отдельный своеобразный элемент мультипольного разложения, соответствующий электрическим токам, циркулирующим на поверхности тора вдоль его меридианов (так называемые полоидные токи).
Мультипольное разложение? Что это? Разложение чего? Разложения поля по векторам? Разложения совокупности полей по векторам? Что-то еще?
«соответствующий электрическим токам, циркулирующим на поверхности тора» — откуда взялся тор? Какова его геометрия, хотя бы приблизительные размеры? Из чего этот тор состоит? Из атомов? Из молекул? Из заряженных частиц? Тор в кристаллической решетке? Или тор вообще ни из чего не состоит а имеются в виду траектории движения? Тогда это траектории движения чего? Под действием каких сил? А может быть, тор состоит из изолиний? Тогда изолиний каких полей?
> предположил, что такое возбуждение возникает за счет статических токов (анаполь), возникающих в атомном ядре
У нас ток по определению — это количество заряда, прошедшее через сечение. Что есть статический ток? Как ток возникает в атомном ядре? О чем идет речь?
> С тех пор, как существование статического тороидного диполя было предсказано, его значение было обсуждено в ряде твердотельных систем
Обсуждать можно что угодно. Нас интересует обнаружение. Что с того, что обсудили?
Nashev
Да, и более того!
Из
> В 1957 году советский физик Яков Зельдович ввел понятие тороидного дипольного момента для объяснения нарушения четности в атомном ядре при слабых взаимодействиях.
понятно лишь то, что довольно давно советский гений-еврей что-то назвал как-то, и цель у него была объяснить что-то атомное.
Nashev
вот так и знал, что понятность национальности указывать не стоит… хотя ничего против неё не имею.
grekmipt
С одной стороны, примерно понятно про что речь. С другой стороны — утверждения в статье выглядят прямым образом противоречащими друг другу…
Это понятно. Такой тор это по сути просто тороидальная катушка индуктивности. При наличии переменных токов (если говорить про дальнюю, волновую зону) — по сути имеем расположенные по кольцу отдельные кольцевые токи (которым соответствует магнитные диполи ориентированные вдоль кольца тора), так что весь тор сводится к кольцевому магнитному току — который с точки зрения излучения в волновой зоне ничем не отличается от электрического диполя. Так что действительно, как и указано в статье, в дальней зоне излучение такой катушки индуктивности будет очень мало отличаться от излучения соответствующим образом ориентированного (вдоль оси симметрии тора) электрического диполя. Чем тоньше будут радиусы тора — тем меньше будет разница полей (от тора и от простого диполя), хотя она и никогда не будет строго нулевой.
Это тривиально — по сути есть 2 источника одинакового (в пределе бесконечно большой дистанции до источников) поля, работающие в противофазе. Поле тороида с хорошей точностью противоположно полю диполя. Т.е. на большом удалении от такой системы — поле будет быстро исчезать (тем быстрее, чем меньше тороид и диполь). При этом в непосредственной близости от системы поле будет совсем не нулевое — и носящее очевидно реактивный характер, т.е. не переносящее энергию. Ну ок, пока всё понятно — хотя и описано в статье очень громоздко и с ненужными деталями.
Деструктивная интерференция — это прям какой-то новый термин… Хватило бы просто «интерференции одинаковых волн в противофазе» — было бы сильно понятнее общественности. Ну да ладно, это понятно.
Но во вторая часть — это как-то ни в какие ворота…
Если мы рассматриваем строгую ситуацию, то поля (от тороида и диполя) разумеется разные — т.е. их разница никогда и нигде не нуль, хотя и быстро стремится к нулю на бесконечности. И тогда понятно что раз поля не полностью идентичные, то есть соответствующий ненулевой вектор-потенциал (такой ненулевой разницы полей), никак не компенсируемый калибровочными преобразованиями.
Если же мы рассматриваем предел полей на бесконечности (т.е. нестрогую задачу) — то поля строго совпадают. Это тождественно означает что и вектор-потенциалы так же совпадают. Каким образом строго одинаковым в некоторой области пр-ва динамическим эм-полям могут соответствовать разные вектор-потенциалы, не проясните? Электродинамика явно против этого возражает ))).
Кроме того, перенос информации очевидно в любом случае связан с переносом энергии. Из статьи можно сделать вывод, что можно переносить информацию (ненулевым вектор-потенциалом) при нулевом потоке энергии (нулевые поля). Но это в свою очередь означает только одно — энергию (т.е. информацию) можно переносить не только полем, но и вектор-потенциалом при нулевых полях. А это означает что статья претендует на то чтобы дать альтернативное общепринятому определение потока энергии эм-поля (ибо общепринятый в электродинамике поток энергии при нулевых полях — строго ноль). Это, мягко говоря, сильное заявление.
Очень подозреваю, что тут просто какая-то путаница понятий (рассматриваем ли ситуацию строго или приближенно, и вывод из одного варианта применяют к другому варианту).
Ну и упомянутые «работы Афанасьева» в студию, пожалуйста, (ссылку или поисковый тэг), иначе можно только гадать что имел ввиду автор.
i_andreev
А разве калибровочная инвариантность — это как раз не про то, что одинаковым решениям для электромагнитного поля соотвтествует более одного решения для вектор-потенциала, в том числе по-разному зависящих от времени?
grekmipt
Разумеется, это именно про то. Понятно что можно взять векторный потенциал, и добавить произвольную добавку (соответствующую калибровке) такую что физические поля при этом не изменятся.
Но, есть нюанс. Если поля строго одинаковы в некоторой области пространства — то это автоматически означает что вектор-потенциалы (вот этими самыми калибровками) в этой области пространства можно привести к тождественно одинаковому виду. А статья же утверждает что строго одинаковым в некоторой области пр-ва полям соответствуют вектор-потенциалы которые принципиально никакими калибровками нельзя привести к одинаковому виду, т.е. при любых калибровочных добавках к векторным потенциалам — остается ненулевая их разница (при строго одинаковых полях). Вот против этого электродинамика, насколько я её знаю (а знаю достаточно прилично), четко возражает. Если поля не строго одинаковы — то тогда и обсуждать нечего (разумеется в этом случае есть ненулевой и «неуничтожимый калибровочными добавками» вектор-потенциал соответствующий такой ненулевой разнице полей), и физически в рассматриваемой в статье ситуации поля как раз не строго равны, а лишь асимптотически (на бесконечности). Так что, возможно тут просто под видом «прорыва в электродинамике» подана простая подмена понятий…
DrSmile
Там хитрость в том, что «некоторая область пространства» может быть топологически нетривиальна — т. е. иметь дырки.
grekmipt
Хм. А Вы правы.
Простейший контр-пример к моему возражению выше — это в одном случае некое произвольное внешнее эм-поле, а во втором случае это же поле + тороидальный соленоид с постоянным током (не создающий никаких внешних полей). Тогда как раз и получим, что во всем пространстве (за исключением объема занимаемого тором) поля строго совпадают, но при этом есть принципиально неустранимая (ненулевая) добавка векторного потенциала во втором случае, т.к. это физически разные ситуации (в первом случае будет отсутствовать эффект Ааронова-Бома, в отличие от второго случая).
Хотя как Вы верно заметили, эта добавка принципиально не обнаружима локально… Т.е. возможно в статье действительно есть какое-то нетривиальное содержание, жаль что в ней нет ссылок на работы.
qbertych
Собственно, этот пример и приводится в статье — излучение диполя в дальней зоне асимптотически приближается к излучению тороидального соленоида. А вблизи/внутри соленоида оно, разумеется, отличается.
Да, спасибо за обзор! Кстати, он аж 92 года.
Basharin_MISIS
Да, все верно! Только понятие соленоид здесь не совсем корректно. Соленоид работает с магнитными полями. У нас же присутствует также и электрическое поле. Тороидный и электрические диполи, возбуждаются в одном объеме мета-молекулы. Они имеют разную топологию полей в ближней зоне, но в дальней одинаковы. И это означает, что удаленный наблюдатель не сможет понять, кто конкретно излучает тороидный или электрический диполь?!
Добавлю, что и тороидный и электрический диполе рассматриваются не в статике, а в динамике!
grekmipt
Само по себе это не есть что-то удивительное. Любой излучатель с размерами много меньше длины волны — в дальней зоне сводится (локально) к плоской волне, из которой совершенно нельзя ничего сказать о том, какова структура/вид/топология излучателя.
А вот то о чем написано в статье — что энергия приходящей волны может рассеяться (поглотиться) такой структурой вообще без какого-либо излучения наружу, вот это действительно интересно. Эдакая «черная дыра» для эм-поля. Сразу напрашиваются мысли — можно ли по такой же логике сделать «поглотитель» эм-волн скажем уже в диапазоне обычных радиоволн. От радаров прятать технику например…
Basharin_MISIS
Характеристика поля в дальней зоне источника- это диаграмма направленности, а она у двух источников разная.
Да, в СВЧ это сделать не проблема, даже легче, т.к. включения будут миллимитровых размеров и технологически это легче сделать и кроме того выбор материалов шире. У нас есть планы показать эти явления в метаматериалах, состоящих из воды. Только, тссс, пока это секрет…
grekmipt
Немного поразмышлял на эту тему. Не ясен один момент. Есть такое базовое понятие в теории антенн как сопротивление излучения — т.е. коэффициент пропорциональности между квадратом тока в антенне, и мощностью излучения антенны.
Антенна поглощает энергию падающего на неё эм-поля — и принципиально единственный механизм которым она это может сделать состоит в том, что приёмная антенна сама излучает такое поле, которое складываясь (интерферируя) с падающим полем — уменьшает энергию падающей волны (никаким другим способом энергия падающей волны уменьшится не может, т.к. поле не умеет «само собой исчезать», уменьшается оно только в результате интерференции с другим полем и никак по другому). Иначе говоря, приёмная антенна может уменьшить энергию падающей на ней волны (т.е. взять у неё энергию) только в том случае, если она излучает поле в (частичной) противофазе к падающей волне.
В случае Вашей ситуации — сопротивление излучения строго ноль (Ваша конфигурация источника не создает бегущей волны, а создает лишь реактивное ближнее поле). Но означает, что такая система не может изменить энергию падающей на неё эм-волны, т.е. не может принимать энергию, т.е. вообще не может поглощать эм-волны. А в статье описано что метаматериалы могут поглощать энергию без переизлучения. Но ведь если нет сопротивления излучения — то и поглощать энергию просто нечем (т.е. нечем сгенерировать поле, которое интерферируя с полем падающей волны — уменьшит энергию этой внешней волны).
Интересно Ваше мнение по этому поводу.
Basharin_MISIS
Я готов подумать над Вашим непростым вопросом! Ответ будет обязательно
grekmipt
Мне приходит в голову только один вариант — такая структура просто никак не взаимодействует с падающим эм-полем, т.е. ничего не поглощает и ничего не отражает. Поле просто проходит её насквозь. Т.е. если грубо говоря из таких объектов собрать сплошной объем (скажем, стенку), то для эм-волн соответствующей частоты этот объем будет как-бы не существовать. Т.е. в этом смысле — будет невидимкой. Но только для очень узкой частотной полосы (соответствующей резонансному отсутствию излучения у анаполя), во всех остальных частотах всё отлично будет видно.
Но если ситуация именно такова, то резонанс рассеяния на таком метаматериале связан именно с прозрачностью оного. Т.е. если за метаматериалом будет не пустое пространство, а скажем обычное вещество (ну там, металл, стекло и т.п.) то на резонансной частоте — рассеяние будет равно рассеянию на таком веществе. А на любой другой частоте — рассеяние будет на метаматериале. Т.е. на резонансе может быть как уменьшение амплитуды отраженной волны, так и увеличение — в зависимости от соотношения характеристик рассеяния на метаматериале и на его подложке.
Соответственно и «спрятать» технику таким приемом нельзя — единственный вариант это её саму делать из таких объектов (тогда в соответствующем узком спектре частот она будет «прозрачной», но будет отлична видна в остальном частотном диапазоне).
Ога?
Basharin_MISIS
В принципе Вы уже ответили на собственный вопрос ниже. Здесь речь идет не о поглощение электромагнитной волны, а об эффекте аналогичному эффекту Электромагнитно- индуцированной прозрачности. Т.е., Вы снова правы, свет не видит метаматериала в узкой полосе частот, а проходит его на сквозь за счет анапольного момента в нем. Понятно, что самолет так не спрячешь, таких задач не ставится. Но есть задачи электромагнитной совместимости, например, на космической станции, когда необходимо изолировать одну антенну от другой, при этом сохранив ДН и мощность излучения первой. Кроме этого в оптике прятать нанообъекты довольно удобно. Для всяких наноантенн…
grekmipt
Нашел — детали по теме статьи можно найти например вот в этом обзоре (от Афанасьева который упомянут в статье):
Электромагнитные свойства тороидальных соленоидов, Г. Н. Афанасьев, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна
Тема действительно красивая и интересная. Неожиданно.
Basharin_MISIS
Спасибо за Ваш интерес к работе!
Будет также интересна вот эта статья:
G.?N. Afanasiev and Y.?P. Stepanovsky, The Electromagnetic-Field of Elementary Time-Dependent Toroidal Sources, J. Phys. A 28, 4565 (1995).
iopscience.iop.org/article/10.1088/0305-4470/28/16/014/pdf
egigd
Присоединяюсь к предыдущим комментатором: даже будучи физиком-ядерщиком я не смог полностью разобраться в написанном. Т.е. для понимания этой «научно-популярной» статьи надо быть даже не просто физиком, а именно из той области, про которую статья!
И заголовок, мягко говоря, «жёлтый».
Про такие вещи, безусловно, тут писать надо. Но надо писать так, чтобы это поняло больше десятка человек из всех посетителей сайта…
dkukushkin
Вы облегчили мои страдания.
Автор с задачей не справился — статья не в научно популярном стиле. Нужно было написать так, чтобы у среднего человека вопросов не возникло. Хотя, в данном случае, видимо, это очень сложная задача.
dkukushkin
У меня главный вопрос: как практически это уже можно использовать? Каковы перспективы использования?
И, простите, может не так понял:
Это о чем? О темной материи? Или о гипотетических объектах, которые в теории могли бы существовать, но существуют ли они — х.з.?
grekmipt
Детали по теме статьи можно найти например вот в этом обзоре (от Афанасьева который упомянут в статье):
Электромагнитные свойства тороидальных соленоидов, Г. Н. Афанасьев, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна
Тема действительно красивая и интересная. Неожиданно.
Basharin_MISIS
Пока еще о применениях говорить рано, ибо в этом случае этими задачами занимались не ученые и университеты, а фабрики и заводы! Перспективы самые радужные! Кроме фундаментального интереса- это новый вид передачи информации, микроскопия и т.д.
Представьте себе, что вы пытаетесь увидеть какой-то объект в микроскоп. Что вы для этого делаете? Облучаете его светом и пытаетесь увидеть отражение. Если же объект не отражает, то вы его не видите и считаете, что его нет. Свет- это электромагнитная волна, которая состоит из векторов электрического и магнитного поля.
Возможно, что существуют объекты, которые не взаимодействуют с этими полями и, возможно, взаимодействуют с потенциалами. Тогда с помощью «потенциальных» источников и «потенциальных» микроскопов мы сможем увидеть эти объекты!
nkie
В статье присутствует две сущности анаполь и тороидный диполь. Вроде как это одно и тоже (насколько я смог понять). Но выглядит как две разных сущности разобраться в которых предлагается сходу неподготовленному читателю, которому и одной-то будет многовато. По сути для нормальног о понимания нужно выкинуть все начиная с «Что же такое тороидный диполь?» до «Так уж ли невидим неизлучающий «анаполь»?» тогда станет немного понятнее. Про потенциал нужно бы по-подробнее, можно даже пару формул привести, чтобы было понятно, что этот параметр выглядет вроде как математическая абстракция, но все-таки существует «на самом деле». Собственно вогруг него и вертится весь смысл статьи.
Basharin_MISIS
Тороидный диполь, как я писал в статье, возникает благодаря возбуждению на объекте тороидальной топологии токов вдоль меридианов тороида. Кроме того, если мы в тороидном объекте возбудим еще электрический диполь, то интерференция между ними даст анаполь! Анаполь = тороид+ электрический диполь.
В статье наших коллег и соавторов из University of Southampton подробно описаны формулы для полей тороидного, электрического диполей, для потенциалов и в случай интерференции- возбуждения анаполя. Надеюсь, что она Вам поможет! Смотрите Supplementary Material к этой статье
V. A. Fedotov, A. V. Rogacheva, V. Savinov, D. P. Tsai, N. I. Zheludev, Scientific Reports 3, 2967 (2013)
Basharin_MISIS
Вот здесь есть ссылка на эту статью:
www.nature.com/article-assets/npg/srep/2013/131017/srep02967/extref/srep02967-s1.pdf