Свет из «ниоткуда»: ученые ИТМО объяснили, как закрученные электроны испускают фотоны вне магнитного поля

Обычный электрон часто представляют как крошечную частицу. Но в квантовом мире этого образа недостаточно: электрон обладает и волновыми свойствами. Если электрон свободен, то есть если на него не действуют никакие силы, он ведет себя как плоская волна и не излучает. Однако свойства волны можно менять. Например, магнитные катушки способны направлять электрон так же, как линзы направляют свет.

Физика электронов в однородном магнитном поле известна давно. Оно устроено так, что его сила и направление одинаковы во всех точках рассматриваемого пространства. Еще Лев Ландау показал, что движение электрона в таком поле квантовано: оно допускает только дискретные состояния. Это значит, что электрон передвигается не произвольно, а переходит с одного уровня на другой, как по ступенькам. Эти состояния называют уровнями Ландау. Однако теория описывает движение электрона в условиях идеально однородного магнитного поля, для которого в реальности нужны специальные условия. В реальных экспериментах на ускорителях частиц или электронных микроскопах поле всегда существенно неоднородное, поэтому упрощенная модель Ландау не подходит для их описания.

Новая работа ученых Нового физтеха ИТМО позволяет точно описывать закрученные электроны — не в идеальном однородном поле, а в условиях, похожих на настоящие микроскопы и ускорительные установки, обобщая теорию Ландау. В этих приборах поле формируется отдельными магнитными катушками. А значит, оно неизбежно меняется вдоль траектории движения электрона: его воздействие мощнее внутри катушек и отсутствует между ними. 

Авторы провели расчеты на основе смоделированной ситуации, в которой электрон проходит через магнитные линзы. Они фокусируют пучок и меняют форму электронной волны, придавая ей сложную структуру. Затем электрон попадает в область между магнитами, где сила поля локально равна нулю. В отсутствие магнитного поля электрон не должен испускать фотоны — это нарушает закон сохранения энергии. Частица «светится» лишь при условии ускорения под действием центробежной силы от магнитов. У свободного электрона не хватит энергии для того, чтобы «светить». Однако расчеты ученых показали: если учесть неоднородность магнитного поля, электрон будет испускать фотон микроволнового излучения там, где поля локально нет.

Оказалось, что после выхода из магнитного поля электронная волна сохраняет сформированную ранее поперечную структуру и кривизну волнового фронта, которые затем продолжают эволюционировать уже при свободном распространении.

«Интересная сторона нашей работы в том, что она рассматривает некоторые геометрические эффекты. Нам удалось связать излучение, которое этот электронный пучок производит, с геометрией квантового состояния электрона и его эволюцией при прохождении через магнитную систему. То есть удалось показать, что это геометрический эффект, параметры которого определяются в том числе расположением и настройкой магнитных линз», — рассказал Игорь Шендерович, участник исследования, научный сотрудник Нового физтеха ИТМО. 

По оценке авторов, предложенную схему можно проверить на базе просвечивающего электронного микроскопа. В такой установке электронный пучок можно сформировать, пропустить через магнитную систему и направить в область с детектором микроволн. 

«Работа важна прежде всего для фундаментальной физики. Она помогает понять, насколько устойчивы и управляемы структурированные электронные состояния в условиях, близких к реальным лабораторным установкам. Нам удалось описать, как неоднородное поле влияет на жизнь электрона, что делает нас еще на один шаг ближе к реализму. Наша работа — это попытка понять, как на самом деле выглядят квантовые процессы с закрученными частицами внутри настоящей машины: в электронном микроскопе или в ускорителе», — отметил Станислав Батурин, руководитель исследования, ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО. 

В перспективе описанная теория позволит понять, как расположение и настройки магнитных катушек влияют на состояние электрона: будут ли они разрушать нужную структуру пучка или, наоборот, помогать ею управлять. В будущем это можно использовать для диагностики: по частоте, направлению и интенсивности микроволн судить о начальных условиях квантового состояния, его фокусировке и орбитальном угловом моменте электронов и других заряженных частиц.