Эффект Ааронова-Бома

Список литературы:

  1. R. Rattazzi, "The Path Integral approach to Quantum Mechanics", глава 5.3.
  2. A. Wipf, "Path Integrals", глава 5.

Электромагнитный потенциал

Заряженная частица реагирует на присутствие электрического и магнитного полей – она ускоряется и/или ее траектория изгибается. В пустоте электрическое и магнитное поле удовлетворяют уравнениям Максвелла

(1)B=0,×E=1cBt,

и в курсе теории поля было показано, что поля можно выразить через компоненты 4-потенциала:

(2)B=×A,E=Φ1cAt.

При этом у студентов обычно складывается впечатление, что векторный потенциал A вводится потому, что с его помощью проще решать некоторые задачи и что сам по себе он не несет физического смысла.

Однако, это утверждение (как мы сегодня убедимся) является неверным. Рассмотрим бесконечно длинную цилиндрическую оболочку, такую что частицы не могут проникать внутрь ее. Тогда пропагатор частиц описывается уравнением Шредингера с граничным условием ψ(x,y,z)=0 на оболочке. В формализме интеграла по траекториям это означает, что мы должны суммировать по всем путям, которые не заходят внутрь цилиндра.

Предположим теперь, что мы создали внутри цилиндра магнитное поле. Интуитивно кажется, что пропагатор частиц за пределами оболочки не изменится, поскольку магнитное поле B=0 равно нулю во внешней области. Однако квантовая механика говорит нам, что это рассуждение не верно.

p1

Отличие этих двух ситуаций заключается в том, что в случае с магнитным полем векторный потенциал A0 за пределами оболочки, как следует из теоремы Стокса. Поскольку задача обладает цилиндрической симметрией, то удобно работать в калибровке

(3)Az=Ar=0,Aϕ=BS2πr,r>r0,

где r0 – радиус оболочки. К каким же наблюдаемым различиям это приводит?

Пропагатор частицы в магнитном поле

Гамильтониан заряженной частицы в магнитном поле B=×A имеет вид

(4)H(p,x)=12m(pecA(x))2,

поэтому для Лагранжиана мы можем записать

(5)px˙H=p22m+p(x˙+emcA)e22mc2A2=12m(p(mx˙+ecA))2+mx˙22+ecAx˙.

Интегрирование по импульсам выполняется тривиально и мы приходим к выражению для пропагатора

(6)U(xb,tb;xa,ta)=DxeiS[x]/,S[x]=tatbdt[mx˙22+ecAx˙].

Дискретизация функционального интеграла

На примере этого действия полезно обсудить в какой точке пространства следует брать значение вектор-потенциала A(x) при переходе к дискретному описанию. Используя обозначения из первого семинара, запишем

(7)S=εj=0N[m2(xj+1xjε)2+ecA[λxj+(1λ)xj+1]xj+1xjε],

где параметр λ[0,1] фиксирует наш выбор. Рассмотрим изменение волновой функции частицы на последнем шаге по времени:

(8)ψ(x,t+ε)=dyU(x,ε;y,0)ψ(y,t)=+d3y(m2πiε)3/2exp[iε(m2(xy)2ε2+ecA[λy+(1λ)x]xyε)]ψ(y,t).

Переходим к новой переменной интегрирования ξ=yx и тогда

(9)ψ(x,t+ε)=(m2πiε)3/2+d3ξexp(imξ22ε)exp(ieξcA[x+λξ])ψ(x+ξ,t).

Из-за первого экспоненциального множителя интеграл набирается при малых ξ порядка O(ε1/2) и поэтому остальные факторы можно разложить в ряд по степеням ξ и ε:

(10)ψ(x,t+ε)=(m2πiε)3/2+d3ξexp(imξ22ε)(1ieξc(A[x]+λA[x]ξ)e2ξ222c2A2(x)+O(ξ3))×[ψ(x,t)+ψ(x,t)ξ+αβψ(x,t)ξαξβ/2+O(ξ3)].

Теперь интегралы можно вычислить в явном виде

(11)+d3ξ(1;ξk;ξkξl)exp(aξ2)=(1;0;δkl/2a)(π/a)3/2

и мы получаем:

(12)ψ(x,t+ε)=ψ(x,t)+εi2m2ψ(x,t)+ελemcdivA(x)ψ(x,t)εie22mc2A2(x)ψ(x,t)+εemcA(x)ψ(x,t),

что при переходе к пределу ε0 дает:

(13)itψ=[22m2+iemcA+e22mc2A2+λiemcdivA]ψ

Правая часть должна совпадать с гамильтонианом

(14)12m(iecA)2ψ=[22m2+e22mc2A2+iemcA+ie2mcdivA]ψ,

откуда мы немедленно получаем λ=1/2.

Упражнение 1. Покажите, что внешнее усреднение (A(xj)+A(xj+1))/2 тоже приводит к правильному уравнению Шредингера.

Эффект Ааронова-Бома

Теперь достаточно просто увидеть, что Aϕ влияет на амплитуды перехода в формализме интегралов по путям. Рассмотрим два пути γ1 и γ2, которые охватывают металлический цилиндр и потому топологически неэквивалентны (один нельзя перевести в другой непрерывными деформациями).

p2

Эти пути дают следующие вклады в пропагатор U(xf,xi;T):

(15)γ1eiS1/=exp(iS0(1)ieγ1dxA(x)),
(16)γ2eiS2/=exp(iS0(2)ieγ2dxA(x)),

где S0(i) – действие вдоль пути γi для свободной частицы. Таким образом, вектор потенциал создает дополнительную разность фаз между путями

(17)Δϕ=eγ2γ2dxA(x)=eBSeΦ.

Эту разность фаз можно наблюдать экспериментально. Рассмотрим эксперимент с двумя щелями в присутствии соленоида. Магнитный поток создает дополнительную разность фаз, что приводит к сдвигу полос интерференционной картины.

p3