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§4 A-B (Aharonov-Bohm) 效应——矢势的可观测效应由于矢势不像.PDF

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§4 A-B (Aharonov-Bohm) 效应——矢势的可观测效应由于矢势不像

§4 A-B (Aharonov-Bohm) 效应 ——矢势的可观测效应 由于矢势不像电势那样可以通过测量电势差而直 接观测,所以人们曾经误以为矢势仅仅是为数学方便 而引入的非物理的矢量。 1959 年,阿哈勒诺夫(Y. Aharonov)和玻姆( D. Bohm)认为:在电子运动的空间,无论是否存在电 磁场,电子波函数的位相都会受到空间中电磁势的影 响。经过多年的研究,人们认识到矢势与体系的量子 行为直接相关;AB 效应是量子效应。AB 效应在介观系 统、超导量子干涉器和单电子晶体管等器件中到了广 泛的应用。 本节的主要内容: 经典电动力学中的电磁势 量子力学中的电磁势 A-B 效应 电子双峰干涉实验 A-B 效应的定量解释——电子的正则动量 1 经典电动力学中的电磁势 在经典力学中,带电粒子在外磁场中的动力学行 为由洛伦兹力所决定,或者说由磁感应强度 B 决定. 磁场是无源场,所以总可以表示成矢势 A 的旋度 BÑ´A ;对于给定的磁场,用矢势 A 描述可以有 无数种选择,即矢势存在规范自由度。 问题的提出:如图所示,中心区域有一无限长螺 线管产生的均匀磁场。需要注意的是,尽管在黄色区 域的外面不存在磁场,但在磁场区域内、外都存在矢 1 势。在螺线管外,矢势与管轴心的距离满足:Aµ R 。假设电子在磁场区域 (螺线管)外运动。按照经典 电动力学,电子的运动状态似乎不会受到磁场的影响, 原因当电子在这个区域运动时并没有受到洛伦兹力的 作用。60 年代,Aharonov 和 Bohm 从理论上提出,电 子运动的波函数确实受到磁场(严格说,是线圈的磁 通量)的影响。AB 效应告诉我们,尽管在经典力学的 范畴内,是采用场来描述,还是采用势来描述,两者 是等价的;然而描述一个带电粒子的量子效应,完全 依靠力这一物理量来描述是不完整的,取而代之的应 该是采用势! 2、Aharonov-Bohm (A-B)效应 Aharonov-Bohm 提出,可 以通过图示的电子干涉的实验 的观测,来验证他们提出的理论 是否正确:当螺线管通电之前, 通过螺线管之外的两束相干电 子(波)到达观测屏形成干涉条纹。当螺线管通电之 后螺线管外的磁场仍然为零,但此时电子所走的路径 上的矢势已经不再为零。如果观测屏上的电子干涉条 纹在通电之后,发生了移动,就说明电子运动(的波 函数)受到了矢势的影响! 3、电子双峰干涉实验——A-B 效应 通电前,管外: B0, A0 ;通电后,管外: B0, A¹0 。通电之后,螺线管外区域的矢势对电 子产生了作用,使得两束电子之间产生了一个附加的 相位差,从而使得观测屏上的干涉条纹的极值位置发 生了移动。 对于一个无限长的螺线管,当通电之后,在电子 经过的路径上磁感应强度 B 为零,但是磁矢势 A 却不 为零。实验测得干涉条纹的移动值为: eF f Dy mvb F 式中, 为螺线管内的磁通量F B×dS A×d ;

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