CN112946386A - 一种探测负离子在表面附近光剥离的磁a-b效应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电信息技术领域，提供了一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A‑B效应的方法，主要通过调整以下参数：螺线管中磁通量的大小、探测平面与负离子之间的距离、负离子到弹性表面的距离以及入射光子的能量，计算探测平面上径向电子通量分布，直至获取到满足清晰度要求的磁A‑B效应干涉图样，本发明通过改变螺线管中磁通量的大小及入射光子的能量得到了满足清晰度的磁A‑B效应的干涉图样；同时，通过改变探测平面的位置，实现在宏观尺度上直接观察负离子在表面附近光剥离的磁A‑B效应。
Description
技术领域
本发明涉及光电信息技术领域，尤其涉及一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的方法。
背景技术
随着互联网大数据和半导体芯片的发展，光电子学技术已被应用到信息的检测、传输、存储和运算等各个领域。而负离子的光剥离过程是产生光电子的一个重要的途径。在物理学中，负离子在表面附近的光剥离动力学是研究经典力学和量子力学之间联系的典型模型，一直属于原子分子物理学的前沿研究课题。当负离子在表面附近发生光剥离后，光剥离电子将表现出丰富的动力学效应，对其研究可以促进光电子技术的发展，在实验和理论上得到了众多科学家的关注。
随着强场和表面物理的发展，物理学家对微观粒子波动性的观测已经从微观领域向宏观世界拓展。当负离子在强电场中发生剥离时，如果在垂直于电场方向放置一个探测平面，将会在探测平面上观察到比较清晰的光剥离显微干涉图样。该干涉图样是由从负离子出发到达探测平面上一点的两条剥离电子波发生干涉引起的，此干涉现象类似于量子力学中比较有名的电子双缝干涉实验。当一个通电的螺线管置于两个狭缝后，探测器平面上电子几率密度分布的干涉图样将会发生变化，这种效应被称为磁A-B效应(AharonovBohm)。对磁A-B效应的实验验证是在1960年由科学家Chambers等人在电子干涉仪中首次报道的。由于电子的波长很短，双缝的间距要求很小，这些条件在实验中很难保证因而引起了人们的争论。随后，许多物理学家观察到了在不同环境下的磁A-B效应，例如非超导金属环、碳纳米管等，进一步验证了磁A-B效应的存在。
但是现有技术中对于负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应，国内外的研究并未见报导。
发明内容
为了探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应，本发明提供了一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的方法，利用理论模型成像原理，通过改变螺线管中磁通量的大小及入射光子的能量得到清晰的磁A-B效应的干涉图样，以及改变探测平面的位置，实现了在宏观尺度上直接观察负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应。
具体的，主要通过以下技术方案来实现：
一种探测负离子在表面附近光剥离的磁AB效应的方法，包括：
对所述负离子进行剥离得到一个剥离电子，并获取所述负离子发生剥离后像电荷的位置；
根据放置在负离子附近的弹性表面对所述剥离电子的运动轨迹进行调控，直至获取到从所述负离子出发并到达探测平面上目标点的剥离电子的第一条运动轨迹，以及从所述像电荷的位置出发经所述弹性表面反射后到达探测平面上目标点的剥离电子的第二条运动轨迹，第一条运动轨迹和第二条运动轨迹对应的两列电子波发生干涉在探测平面上的电子通量分布中形成磁A-B效应干涉图样；
当放置在负离子附近的螺线管通电后，调整以下参数中的至少一个：螺线管中磁通量的大小、探测平面与负离子之间的距离、负离子到弹性表面的距离以及入射光子的能量，计算探测平面上径向电子通量分布，直至获取到满足清晰度要求的磁A-B效应干涉图样。
优选地，当放置在负离子附近的螺线管通电后，还包括：
对剥离电子的波函数进行相位调控得到探测平面上径向电子通量分布公式，利用径向电子通量分布公式计算探测平面上目标点的剥离电子通量分布。
优选地，所述剥离电子的波函数
为：
其中，
为探测平面上目标点坐标，
表示初始出射波，
为出射点的坐标，Aj是波函数的振幅；Lj是第j条电子波的运动轨迹的长度，μj是马斯洛夫指数；Sj为第j条电子运动轨迹的经典作用量，j＝1,2。
优选地，对剥离电子的波函数进行相位调控，具体包括：
波函数的振幅为：
第j条电子运动轨迹的经典作用量为
是不存在螺线管时的作用量
是螺线管外面的电磁场矢势；k是剥离电子的动量；
根据Aj和Sj的公式可知经相位调控后的剥离电子波函数为：
其中，c是光速，B＝0.31552，kb＝0.2354a.u..，i为虚数单位。
优选地，探测平面上径向电子通量分布的计算公式为：
其中，ψf表示目标点的剥离电子波函数，
表示电子波函数ψf的复共轭，
为波函数ψf对r的偏导数，
为波函数
对r的偏导数。
优选地，根据经相位调控后的剥离电子波函数得到探测平面上径向电子通量分布的计算公式为：
其中，jz为电子通量沿z轴方向的分量，jr为径向电子通量分布，φB为螺线管中磁通量的大小。
优选地，探测平面与负离子之间的距离Z0为：5.29μm＜Z0＜2.65mm。
优选地，螺线管中磁通量的大小φB为：0≤φB＜1000a.u.。
优选地，负离子到弹性表面的距离d为：100≤d＜600a.u.。
优选地，入射光子的能量Ep为：1.5≤Ep≤4.0eV。
本发明相较于现有技术具有以下有益效果：
1、通过改变螺线管中磁通量的大小及入射光子的能量得到了满足清晰度的磁A-B效应的干涉图样；
2、通过改变探测平面的位置，实现了在宏观尺度上直接观察负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应。
附图说明
1、图1为本发明氢负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的物理图像；
2、图2为本发明实施例中步骤60的实施方式(1)的探测平面上径向电子通量分布随通电螺线管中磁通量的变化曲线；
3、图3为本发明实施例中步骤60的实施方式(1)的探测平面上径向电子通量分布随探测点位置和通电螺线管中磁通量的变化曲线；
4、图4为本发明实施例中步骤60的实施方式(2)的探测平面上径向电子通量分布随通电螺线管中磁通量的变化曲线；
5、图5为本发明实施例中步骤60的实施方式(2)的探测平面上径向电子通量分布随通电螺线管中磁通量变化的三维曲线；
6、图6为本发明实施例中步骤60的实施方式(2)的探测平面上三维径向电子通量分布对应的各磁A-B效应干涉图样；
7、图7为本发明实施例中步骤60的实施方式(3)不同入射光子的能量值对应的探测平面上的各磁A-B效应干涉图样；
8、图8为本发明实施例步骤60的实施方式(4)中不同氢负离子到弹性表面的距离值对应的探测平面上的各磁A-B效应干涉图样；
9、图9(a)为本发明实施例步骤60的实施方式(5)中探测平面上径向电子通量分布随探测平面与氢负离子之间的距离变化的三维曲线；图9(b)为本发明实施例步骤60的实施方式(5)中探测平面与氢负离子之间的距离Z0＝2.65mm对应的探测平面上的磁A-B效应的干涉图样。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更清楚的理解本发明的核心思想，下面将结合附图对其进行详细的说明。
本发明实施例提供了一种探测负离子在表面附近光剥离的磁AB效应的方法，包括以下步骤：
步骤10，用一束激光照射氢负离子，使负离子剥离成一个中性的氢原子和一个剥离电子，表示为：H-+hν→H+e。
步骤20，利用理论模型成像原理获取到所述氢负离子发生剥离后像电荷的位置，剥离电子及其像电荷构成两个相干波源。
本发明所采用的理论模型成像方法物理图像清晰，光剥离电子容易在实验中产生，整个计算所需要的时间短，产生的磁A-B效应干涉图样清晰，可以为表面附近负离子光剥离的磁A-B效应的实验研究提供理论参考。
步骤30，在氢负离子附近设置一个弹性表面，并根据所述表面对所述剥离电子的运动轨迹进行调控，直至获取到从所述负离子出发并到达探测平面上目标点的剥离电子的第一条运动轨迹，以及从所述像电荷的位置出发经所述表面反射后到达探测平面上目标点的剥离电子的第二条运动轨迹，第一条运动轨迹和第二条运动轨迹对应的两列电子波发生干涉，在探测平面上的电子通量分布中产生磁A-B效应干涉图样。
具体的，如图1所示，设剥离电子以出射角θi从氢负离子发射，到达弹性表面后发生反射，利用电子波的反射现象，通过调整弹性表面从而调控剥离电子的运动轨迹，直至获取到从氢负离子出发，到达探测平面上目标点的剥离电子的运动轨迹。
而到达探测平面上目标点的电子波可以分为两部分：第一列电子波沿轨迹“1”传播，从氢负离子出发后直接到达探测平面，即第一条运动轨迹，所述第一条运动轨迹和z轴的夹角为θ1；第二列电子波沿轨迹“2”传播，从氢负离子出发后到达弹性表面，经弹性表面反射后到达探测平面，即第二条运动轨迹，所述第二条运动轨迹和-z轴的夹角为θ2。根据理论模型成像法，第二列电子波可以看做是从像电荷发出的电子波。上述两列电子波发生干涉从而在探测平面上的电子通量分布中形成磁A-B效应干涉图样。
需要说明的是，探测平面垂直z轴，在探测平面上的同一点，上述两条电子运动轨迹可以到达，上述两列电子波发生干涉使得探测平面上的电子通量分布出现振荡结构；当放置在负离子附近的螺线管通电后，探测平面上的电子通量分布曲线发生移动，即产生磁A-B效应。
当放置在负离子附近的螺旋管通电后，螺旋管内部的磁场为匀强磁场，其外部的磁场强度为0，因此剥离电子不受洛伦兹力的作用，通电的螺线管对剥离电子的运动轨迹不会产生任何影响。因此，只需通过放置在负离子附近的表面对所述剥离电子的运动轨迹进行调控，直至获取到从所述负离子出发并到达探测平面上目标点的剥离电子的运动轨迹。
步骤40，当放置在负离子附近的螺线管通电后，利用半经典理论构造剥离电子波函数，并进行相位调控。
设对于探测平面上的任一给定目标点坐标为
则到达探测平面上目标点
的电子波有两列，即，对应有两条电子波运动轨迹(轨迹1和轨迹2)，因此，剥离电子波函数可以表示为：
其中，Aj是波函数的振幅，如下式(2)所示：
其中，
为探测平面上目标点坐标，
表示初始出射波，
为出射点的坐标，j＝1,2，Lj是第j条电子波的运动轨迹的长度，μj是马斯洛夫指数，轨迹1和轨迹2的马斯洛夫指数分别为：μ1＝0,μ2＝1。
第j条电子波的运动轨迹的经典作用量Sj如下式(3)所示:
其中，
是不存在螺线管时的作用量
把公式(3)带入公式(1)，得到:
其中
是磁矢势
沿着轨迹1和2所构成的闭合回路的积分。根据斯托克斯公式：
φB是通过螺线管的磁通量。可知，上式(4)可以进一步化简化为：
进一步，
其中，
由于探测平面到氢负离子的距离Z0远远大于弹性表面到氢负离子的距离d,使得L1,L2＞＞d，因此在指数项中可以做如下近似：L1≈r-d cosθ,L2≈r+d cosθ。在分母中，L1≈L2≈r，θ1≈θ2≈θ。
因此，探测平面上目标点的剥离电子波函数可以表示为：
其中，c是光速，B＝0.31552，kb＝0.2354a.u..，i为虚数单位。
步骤50，对剥离电子的波函数进行相位调控得到探测平面上径向电子通量分布公式。
探测平面上径向电子通量分布的计算公式如下式(8)所示：
其中，ψf表示目标点的剥离电子波函数，
表示电子波函数ψf的复共轭，
为波函数ψf对r的偏导数，
为波函数
对r的偏导数。
根据探测平面上目标点的剥离电子波函数(式7)可得：
在柱坐标系中，则光剥离电子通量沿着z轴的分量表达式(即探测平面上径向电子通量分布模型)为：
其中，jz为电子通量沿z轴方向的分量，jr为径向电子通量分布，φB为螺线管中磁通量的大小。
步骤60，调整以下参数中的至少一个：螺线管中磁通量的大小、探测平面与负离子之间的距离、负离子到弹性表面的距离以及入射光子的能量，计算探测平面上径向电子通量分布，直至获取到满足清晰度要求的磁A-B效应干涉图样。
具体实施例方式可为：
(1)固定探测平面距离氢负离子z0＝1000a.u.的位置处，氢负离子到弹性表面的距离为d＝120a.u.，入射光子的能量Ep＝1.0eV，调整螺线管中磁通量的大小，计算探测平面上径向电子通量分布，如图2所示，为计算的探测平面上径向电子通量分布随通电磁通量φB的变化曲线。
在固定螺线管中磁通量的大小的情况下，调整探测平面上目标点的位置，计算探测平面上不同目标点的径向电子通量分布，如图3所示，为计算的探测平面上径向电子通量分布随探测点位置ρ和磁通量φB的变化曲线。
(2)将探测平面固定在距离氢负离子为z0＝100000a.u.＝5.29μm的位置处,氢负离子到弹性表面的距离为d＝120a.u.，入射光子的能量Ep＝1.0eV，改变通电螺线管中磁通量的大小，计算探测平面上径向电子通量分布，如图4所示，为计算的探测平面上径向电子通量分布随磁通量φB的变化曲线。
而图5所示，则为计算的探测平面上径向电子通量分布随磁通量φB变化的三维曲线，当螺线管中磁通量取不同值时，显示探测平面上的三维电子通量分布，从图5中可以看出，探测平面上径向电子通量分布发生了明显的改变。需要说明的是，图5中，磁通量的取值如下：图5(a)中φB＝0.0a.u.；图5(b)中φB＝100.0a.u.；图5(c)中φB＝400.0a.u.；图5(d)中φB＝600.0a.u.；图5(e)中φB＝800.0a.u.；图5(f)中φB＝1000.0a.u.。
而图6是与图5对应的磁A-B效应干涉图样图，即，图6(a)为图5(a)φB＝0.0a.u.的探测平面上的三维径向电子通量对应的磁A-B效应干涉图样，同理，图6(b)与图5(b)对应，图6(c)与图5(c)对应，图6(d)与图5(d)对应，图6(e)与图5(e)对应，图6(f)与图5(f)对应。从图中可以看出，磁A-B效应干涉图样中出现了一系列明暗相间的干涉条纹。其中，明条纹是到达探测平面上目标点的两条电子波(第一列电子波和第二列电子波)发生相干干涉引起的，暗条纹是电子波发生相消干涉引起的。
因此，由上可知，图6(a)是螺线管没有通电时的干涉图样，可以看出在探测平面的中心处有一个较弱的暗条纹。当螺线管通电后，该处的干涉条纹发生了相应的变化。图6(b)对应螺线管中的磁通量φB＝100.0a.u.,可以看出探测平面的中心处出现了一个较强的暗条纹。图6(c)，当磁通量φB＝400.0a.u.时，中心处的暗条纹消失，变成了一个亮条纹。继续改变磁通量的大小，中心处的亮条纹又会发生相应的改变。因此，根据通电螺线管和不放置螺线管的情况相比，发现当螺线管通电后，剥离电子通量分布曲线发生了移动，这是由磁A-B效应引起的。而通过改变螺线管中磁通量的大小，可以清晰地分析磁A-B效应。
(3)固定探测平面距离氢负离子z0＝100000a.u.＝5.29μm的位置处,通电后螺线管中磁通量的大小为φB＝200.0a.u.，氢负离子到弹性表面的距离d＝120a.u.，通过改变入射光子的能量Ep，实现对磁A-B效应干涉图样的调控。所得结果如图7所示。从图中可以看出，随着入射光子能量的增加，磁A-B效应干涉图样中条纹的数目增加。图7(c)所示，当入射光子的能量Ep＝2.5eV时,磁A-B效应的干涉图样满足清晰度要求。
需要说明的是，图7中，入射光子的能量取值如下：图7(a)中Ep＝1.5eV；图7(b)中Ep＝2.0eV；图7(c)中Ep＝2.5eV；图7(d)中Ep＝3.0eV；图7(e)中Ep＝3.5eV；图7(f)中Ep＝4.0eV。
(4)固定探测平面距离氢负离子z0＝100000a.u.＝5.29μm的位置处,通电后螺线管中磁通量的大小为φB＝200.0a.u.，入射光子的能量Ep＝1.0eV，通过改变氢负离子到弹性表面的距离d实现对磁A-B效应干涉图样的调控。所得结果如图8所示。从图中可以看出，随着弹性表面到氢负离子的距离d的增加，磁A-B效应干涉图样中条纹的数目逐渐增加。图8(c)当氢负离子到弹性表面的距离d＝300a.u.时,磁A-B效应的干涉图样满足清晰度要求。
需要说明的是，图8中，氢负离子到弹性表面的距离取值如下：图8(a)中d＝100a.u.；图8(b)中d＝200a.u.；图8(c)中d＝300a.u.；图8(d)中d＝400a.u.；图8(e)中d＝500a.u.；图8(f)中d＝600a.u.。
(5)固定螺线管中磁通量φB＝200.0a.u.,入射光子的能量Ep＝1.0eV，通过改变探测平面的位置，观察磁A-B效应的干涉图样的变化及清晰度，如图9(a)所示。
如图9(b)所示，将探测平面的位置放置在距离氢负离子z0＝2.65mm的距离，这一距离已经达到了宏观尺度，可以很容易在实验室中实现，此时，仍然可以得到满足清晰度要求的磁A-B效应的干涉图样。
综上所述，本发明提供了一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的方法，通过改变螺线管中磁通量的大小及入射光子的能量得到了满足清晰度的磁A-B效应的干涉图样；同时，通过改变探测平面的位置，实现了在宏观尺度上直接观察负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应。本发明开辟了用宏观领域的研究方法探讨微观领域物理规律的新途径。另外，在本发明中，选取的是弹性表面，在实验中比较容易获得。且氢负离子是最简单的负离子体系，理论分析相对简单，本发明所采用的负离子，包括但不限于例如氢分子负离子、F-、S-等等。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的方法，其特征在于，包括：
对所述负离子进行剥离得到一个剥离电子，并获取所述负离子发生剥离后像电荷的位置；
根据放置在负离子附近的弹性表面对所述剥离电子的运动轨迹进行调控，直至获取到从所述负离子出发并到达探测平面上目标点的剥离电子的第一条运动轨迹，以及从所述像电荷的位置出发经所述弹性表面反射后到达探测平面上目标点的剥离电子的第二条运动轨迹，第一条运动轨迹和第二条运动轨迹对应的两列电子波发生干涉在探测平面上的电子通量分布中磁A-B效应干涉图样；
当放置在负离子附近的螺线管通电后，调整以下参数中的至少一个：螺线管中磁通量的大小、探测平面与负离子之间的距离、负离子到弹性表面的距离以及入射光子的能量，计算探测平面上径向电子通量分布，直至获取到满足清晰度要求的磁A-B效应干涉图样。
2.如权利要求1所述的一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的方法，其特征在于，当放置在负离子附近的螺线管通电后，还包括：
对剥离电子的波函数进行相位调控得到探测平面上径向电子通量分布公式，利用径向电子通量分布公式计算探测平面上目标点的剥离电子通量分布。
3.如权利要求2所述的一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的方法，其特征在于，所述剥离电子的波函数
为：
其中，
为探测平面上目标点坐标，
表示初始出射波，
为出射点的坐标，Aj是波函数的振幅；Lj是第j条电子波的运动轨迹的长度，μj是马斯洛夫指数；Sj为第j条电子运动轨迹的经典作用量，j＝1,2。
4.如权利要求3所述的一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的方法，其特征在于，对剥离电子的波函数进行相位调控，具体包括：
波函数的振幅为：
第j条电子运动轨迹的经典作用量为
是不存在螺线管时的作用量
是螺线管外面的电磁场矢势；k是剥离电子的动量；
根据Aj和Sj的公式可知经相位调控后的剥离电子波函数为：
其中，c是光速，B＝0.31552，kb＝0.2354a.u..，i为虚数单位。
5.如权利要求4所述的一种探测负离子在表面附近光剥离的磁AB效应的方法，其特征在于，探测平面上径向电子通量分布的计算模型为：
其中，ψf表示目标点的剥离电子波函数，
表示电子波函数ψf的复共轭，
为波函数ψf对r的偏导数，
为波函数
对r的偏导数。
6.如权利要求5所述的一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的方法，其特征在于，根据经相位调控后的剥离电子波函数得到探测平面上径向电子通量分布jr的计算公式为：
其中，jz为电子通量沿z轴方向的分量，jr为径向电子通量分布，φB为螺线管中磁通量的大小。
7.如权利要求1所述的一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的方法，其特征在于，探测平面与负离子之间的距离Z0为：5.29μm＜Z0＜2.65mm。
8.如权利要求1所述的一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的方法，其特征在于，螺线管中磁通量的大小φB为：0≤φB＜1000a.u.。
9.如权利要求1所述的一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的方法，其特征在于，负离子到弹性表面的距离d为：100≤d＜600a.u.。
10.如权利要求1所述的一种探测负离子在表面附近光剥离的磁A-B效应的方法，其特征在于，入射光子的能量Ep为：1.5≤Ep≤4.0eV。
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| CN105548092A (zh) * | 2015-12-25 | 2016-05-04 | 华中科技大学 | 一种基于光电子全息成像探测原子结构的方法 |
| CN110299281A (zh) * | 2019-07-11 | 2019-10-01 | 鲁东大学 | 一种探测里德堡原子光电离显微成像的方法 |
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