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Quantum interference of force, Hanbury Brown and Twiss with electrons, and photon reflection by a quantum mirror

Raul Correa Silva

Published Feb 27, 2019• 0 citations
OpenAlex

Abstract

A presente tese apresenta trabalhos realizados em três assuntos. O primeiro assunto tratado diz respeito a interferência quântica. Mostramos que uma partícula quântica em um interferômetro Mach-Zehnder, sob a ação de uma força positiva em um dos braços do interferômetro e uma força nula no outro, pode receber na média uma transferência de momento negativa quando sai do interferômetro por uma porta específica. Nesse cenário, um conjunto de partículas pode na média ganhar momento no sentido oposto ao da força aplicada devido a interferência quântica, um comportamento sem análogo clássico. Chamamos esse efeito de "interferência quântica de força", e apresentamos três possibilidades de implementação experimental para detectar tal efeito, com elétrons ou nêutrons em um interferômetro Mach-Zehnder, e com átomos de um condensado de Bose-Einstein. Em seguida discutimos o caso de dois elétrons propagando no mesmo interferômetro Mach-Zehnder e mostramos que, devido ao mesmo efeito de interferência quântica de força, os dois elétrons podem sofrer uma atração efetiva. O segundo assunto tratado é o desenvolvimento de uma proposta experimental para detectar interferência de Hanbury Brown e Twiss com elétrons se propagando no espaço livre. Recentemente surgiram dúvidas sobre experimentos do tipo realizados anteriormente, cujos resultados podem ser explicados como causados por repulsão Coulombiana ao invés de um efeito de interferência de duas partículas. Na nossa proposta, os dois efeitos podem ser diferenciados claramente, o que abre caminho para o desenvolvimento de uma técnica de imagem com fontes incoerentes de elétrons. Finalmente, o terceiro assunto diz respeito à derivação por primeiros princípios do momento trocado entre um fóton e um espelho quântico após o primeiro ser refletido pelo segundo. Para isso, usamos as condições de contorno impostas pela superfície do espelho sobre a equação de onda do fóton. Mostramos que o sistema em geral termina em um estado emaranhado, a menos que a incerteza em posição do espelho seja muito menor do que o comprimento de onda do fóton, caso em que o espelho se comporta classicamente. O nosso tratamento leva diretamente à conclusão de que o momento do fóton é ~k, e isso nos permite dar uma contribuição ao histórico debate Abraham Minkowski sobre o momento da luz em um meio material. A configuração que usamos revela o momento de Minkowski, em que o momento da luz é proporcional ao índice de refração do meio.

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Propriedades físicas associadas aos fenômenos de superposição e interferência quântica têm, ao passar dos anos, se mostrado em direta oposição com a nossa intuição clássica. Neste trabalho, à parte de uma breve revisão sobre as peculiaridades associadas aos fenômenosde superposição quântica e suas consequências, apresentamos e propomos um experimento original no contexto de interferência quântica com o qual introduzimos pela primeira vez a noção de 'Forças Anômalas' existentes em um contexto quântico. Em particular, discutimos como se torna possível que um objeto físico quântico adquira momento linear em um sentido 'errado', após ter interagido ou não com outro sistema físico conhecido dentro de um interfer ômetro. Mostramos como, nesse contexto, o efeito de superposição de uma força positiva (em um braço do interferômetro) e uma força nula (no braço alternativo) 'gera uma forçaresultante negativa' sobre um objeto físico. Quando essa noção é aplicada para dois elétrons dentro de um interferômetro, torna-se então possível simular uma atração elétrica entre dois elétrons em um contexto quântico. O trabalho aqui apresentado foi inspirado em um artigo publicado em 2013 por Aharonov et. al. [1], no qual os autores discutem a existência de uma pressão de radiação negativa de fótons em um espelho quântico. Nesse texto, argumentamos em como esse fenômeno aparentemente ilógico é possível, sendo derivado diretamente de propriedades contra intuitivas da interferência quântica, e propomos uma versão do experimento usando interferência com elétrons com o qual acreditamos que resultados análogos possam ser observados em laboratório.

•Nov 4, 2016•0 citations

Uma visão contemporânea de alguns conceitos da teoria quântica

Bertúlio de Lima Bernardo

Nesta tese discutimos alguns aspectos fundamentais da teoria quântica de um ponto de vista mais contemporâneo, onde tambem pudemos desenvolver tres trabalhos. No primeiro analisamos teoricamente um interferometro de fenda dupla para atomos. Mostramos que se os autoestados de energia do atomo estao correlacionados com os comportamentos de particula e de onda do mesmo, fenomenos complementares podem ser medidos simultaneamente, indicando uma reinterpretacao do principio da complementaridade. O mesmo aparato tambem apresentou propriedades de apagador quântico. No segundo apresentamos um interferometro de duas particulas e a maneira como a decoerencia afeta o grau de interferencia. Mostramos como os constituintes do ambiente, aqui considerados como fotons, podem destruir a oscilacao na taxa de coincidencia de deteccao das particulas. Devido a sua caracteristica temporal, chamamos este processo de decoerencia temporal quântica. No ultimo trabalho estudamos a existencia de uma nova familia de solucoes ortogonais da equacao paraxial da luz. A amplitude complexa desses feixes sao proporcionais as funcoes hipergeometricas confluentes, que denominamos modos hipergeometricos do segundo tipo (HyG-II). Demonstramos formalmente que um meio com um perfil hiperbolico de indice de refracao pode gerar e suportar essa classe de feixes. Uma vez que esses modos sao autofuncoes do momento angular orbital do foton, concluimos que uma fibra otica com este perfil de indice, em certas situacoes, poderia levar vantagem em relacao a outras fibras com indice variavel na capacidade de transmissao de dados.

•Jun 6, 2013•0 citations

Interpretações da mecânica quântica em um interferômetro virtual de Mach-Zehnder

Fernanda Ostermann, Sandra D. Prado

Neste trabalho analisamos o fenômeno da interferência quântica no interferômetro de Mach Zehnder - um arranjo experimental análogo ao experimento das duas fendas, porém mais simples - sob a luz das principais escolas de interpretação da mecânica quântica. Embora fortemente inspirados pelo trabalho de Pessoa Jr. [1]-[3], damos especial ênfase à Interpretação dos Muitos Mundos ou Universos Paralelos, que experimenta um crescente interesse tanto por parte da comunidade científica quanto de leigos. A Interpretação dos Muitos Mundos é uma corrente da mecânica quântica para a qual, além do mundo do qual somos conscientes, há muitos outros mundos similares que existem em paralelo no espaço e ao mesmo tempo. A existência destes outros mundos torna possível a remoção da aleatoriedade e da ação à distância da teoria quântica. Uma introdução básica de uma interpretação que tem estado presente nos meios de comunicação é uma importante contribuição para a formação inicial e continuada de professores de Física, principalmente quando se busca uma discussão mais conceitual sobre o tema.

Revista Brasileira de Ensino de Física•Jun 1, 2005•16 citations

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Neste trabalho analisamos o fenômeno da interferência quântica no interferômetro de Mach Zehnder - um arranjo experimental análogo ao experimento das duas fendas, porém mais simples - sob a luz das principais escolas de interpretação da mecânica quântica. Embora fortemente inspirados pelo trabalho de Pessoa Jr. [1]-[3], damos especial ênfase à Interpretação dos Muitos Mundos ou Universos Paralelos, que experimenta um crescente interesse tanto por parte da comunidade científica quanto de leigos. A Interpretação dos Muitos Mundos ´e uma corrente da mecânica quântica para a qual, além do mundo do qual somos conscientes, há muitos outros mundos similares que existem em paralelo no espaço e ao mesmo tempo. A existência destes outros mundos torna possível a remoção da aleatoriedade e da ação `a distância da teoria quântica. Uma introdução básica de uma interpretação que tem estado presente nos meios de comunicação ´e uma importante contribuição para a formação inicial e continuada de professores de Física, principalmente quando se busca uma discussão mais conceitual sobre o tema.

•Jan 1, 2005•0 citations

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[pt] O bunching de fótons é um dos mais celebrados efeitos de interferência de dois fóotons, associado à tendéncia de fótons indistinguíveis de tomarem o mesmo caminho quando há uma superposição dos pacotes de onda em um combinador de feixes óptico simétrico. Nós exploramos o fenômeno de interferência de dois fótons e mostramos que: a característica espectral de uma fonte de luz pode ser determinar através da técnica de Espectroscopia de Transformada de Fourier de Poucos Fótons de alta resolução que se mostra como uma técnica útil para a caracterização espectral de fontes ópticas débeis abaixo do limite coberto por técnicas clássicas de batimento heteródino; uma fonte de fótons com estatística sub-Poisson, a Fonte de Fótons Anunciadas com Óptica Linear, pode ser construída baseada apenas em óptica linear e estados coerentes atenuados uma vez que os anúncios sejam sintonizados nos picos de coincidência de um interferograma de Hong-Ou-Mandei quando o interferômetro é alimentado com estados em frequências diferentes; uma modificação do interferômetro de Hong-Ou-Mandel produz um aumento no número de coincidências, ao invés de sua diminuição, quando os pacotes de onda estão perfeitamente superpostos no interferômetro e o anúncio de fótons sintonizados nesse pico gera um feixe com distribuição sub-Poisson. A descrição matemática de cada experimento é detalhada e uma revisão extensa das ferramentas teóricas e práticas necessárias para o entendimento dos resultados é apresentada.

•Apr 18, 2016•0 citations
A presente tese apresenta trabalhos realizados em três assuntos. O primeiro assunto tratado diz respeito a interferência quântica. Mostramos que uma partícula quântica em um interferômetro Mach-Zehnder, sob a ação de uma força positiva em um dos braços do interferômetro e uma força nula no outro, pode receber na média uma transferência de momento negativa quando sai do interferômetro por uma porta específica. Nesse cenário, um conjunto de partículas pode na média ganhar momento no sentido oposto ao da força aplicada devido a interferência quântica, um comportamento sem análogo clássico. Chamamos esse efeito de "interferência quântica de força", e apresentamos três possibilidades de implementação experimental para detectar tal efeito, com elétrons ou nêutrons em um interferômetro Mach-Zehnder, e com átomos de um condensado de Bose-Einstein. Em seguida discutimos o caso de dois elétrons propagando no mesmo interferômetro Mach-Zehnder e mostramos que, devido ao mesmo efeito de interferência quântica de força, os dois elétrons podem sofrer uma atração efetiva. O segundo assunto tratado é o desenvolvimento de uma proposta experimental para detectar interferência de Hanbury Brown e Twiss com elétrons se propagando no espaço livre. Recentemente surgiram dúvidas sobre experimentos do tipo realizados anteriormente, cujos resultados podem ser explicados como causados por repulsão Coulombiana ao invés de um efeito de interferência de duas partículas. Na nossa proposta, os dois efeitos podem ser diferenciados claramente, o que abre caminho para o desenvolvimento de uma técnica de imagem com fontes incoerentes de elétrons. Finalmente, o terceiro assunto diz respeito à derivação por primeiros princípios do momento trocado entre um fóton e um espelho quântico após o primeiro ser refletido pelo segundo. Para isso, usamos as condições de contorno impostas pela superfície do espelho sobre a equação de onda do fóton. Mostramos que o sistema em geral termina em um estado emaranhado, a menos que a incerteza em posição do espelho seja muito menor do que o comprimento de onda do fóton, caso em que o espelho se comporta classicamente. O nosso tratamento leva diretamente à conclusão de que o momento do fóton é ~k, e isso nos permite dar uma contribuição ao histórico debate Abraham Minkowski sobre o momento da luz em um meio material. A configuração que usamos revela o momento de Minkowski, em que o momento da luz é proporcional ao índice de refração do meio.
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Nesta tese discutimos alguns aspectos fundamentais da teoria quântica de um ponto de vista mais contemporâneo, onde tambem pudemos desenvolver tres trabalhos. No primeiro analisamos teoricamente um interferometro de fenda dupla para atomos. Mostramos que se os autoestados de energia do atomo estao correlacionados com os comportamentos de particula e de onda do mesmo, fenomenos complementares podem ser medidos simultaneamente, indicando uma reinterpretacao do principio da complementaridade. O mesmo aparato tambem apresentou propriedades de apagador quântico. No segundo apresentamos um interferometro de duas particulas e a maneira como a decoerencia afeta o grau de interferencia. Mostramos como os constituintes do ambiente, aqui considerados como fotons, podem destruir a oscilacao na taxa de coincidencia de deteccao das particulas. Devido a sua caracteristica temporal, chamamos este processo de decoerencia temporal quântica. No ultimo trabalho estudamos a existencia de uma nova familia de solucoes ortogonais da equacao paraxial da luz. A amplitude complexa desses feixes sao proporcionais as funcoes hipergeometricas confluentes, que denominamos modos hipergeometricos do segundo tipo (HyG-II). Demonstramos formalmente que um meio com um perfil hiperbolico de indice de refracao pode gerar e suportar essa classe de feixes. Uma vez que esses modos sao autofuncoes do momento angular orbital do foton, concluimos que uma fibra otica com este perfil de indice, em certas situacoes, poderia levar vantagem em relacao a outras fibras com indice variavel na capacidade de transmissao de dados.
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Neste trabalho analisamos o fenômeno da interferência quântica no interferômetro de Mach Zehnder - um arranjo experimental análogo ao experimento das duas fendas, porém mais simples - sob a luz das principais escolas de interpretação da mecânica quântica. Embora fortemente inspirados pelo trabalho de Pessoa Jr. [1]-[3], damos especial ênfase à Interpretação dos Muitos Mundos ou Universos Paralelos, que experimenta um crescente interesse tanto por parte da comunidade científica quanto de leigos. A Interpretação dos Muitos Mundos ´e uma corrente da mecânica quântica para a qual, além do mundo do qual somos conscientes, há muitos outros mundos similares que existem em paralelo no espaço e ao mesmo tempo. A existência destes outros mundos torna possível a remoção da aleatoriedade e da ação `a distância da teoria quântica. Uma introdução básica de uma interpretação que tem estado presente nos meios de comunicação ´e uma importante contribuição para a formação inicial e continuada de professores de Física, principalmente quando se busca uma discussão mais conceitual sobre o tema.
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