电磁学与电动力学中的磁单极-Ⅱ

本系列文章一共4篇,在电磁学和电动力学框架内用尽量科普的方式分别介绍磁单极的若干奇特性质.本篇文章主要介绍狄拉克磁单极是如何展示矢量势的规范变换的.我们首先简要介绍规范变换与规范对称性及狄拉克磁单极与狄拉克弦,然后讨论狄拉克磁单极与规范变换的联系.我们显式演示狄拉克弦摆动产生的规范变换,弦摆动区域对场点所张的立体角正比于规范变换的变换函数.磁偶极子则可以由两个无穷靠近的正反狄拉克磁单极构成.相应两条狄拉克弦位置的变化都对应磁偶极子矢量势的规范变换,特别当两条弦重合时弦效应相互抵消,只剩下纯的磁偶极子.传统的由磁偶极子产生的矢量势的规范变换则可以图像化为组成磁偶极子的正反狄拉克磁单极的狄拉克弦的摆动.我们显式地计算了位于坐标原点弦为直线的狄拉克磁单极,并进一步构造了没有奇异的吴大峻-杨振宁磁单极.     

一维均匀势场中含时薛定谔方程的求解

本文详细讨论了一维均匀势场中含时薛定谔方程的求解.求解的思想是以均匀势场中经典粒子的运动作为参考，从经典粒子的运动轨迹出发，构建出量子情形下描述粒子运动的高斯波包形式的演化波函数，进而借助含时薛定谔方程确定波函数的具体形式.在上述思想指导下，推导得出了坐标表象和动量表象下均匀势场内一维粒子的传播子函数.同时，作为比较，狄拉克态矢量符号提供了另一种得到上述传播子函数的途径.     

磁单极和电磁对偶性

根据狄拉克-麦克斯韦方程组和推广的洛伦兹力公式,讨论了磁单极和电磁对偶性的基本概念和物理意义.麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式可以通过对偶变化转化为电荷与磁荷并存的形式;但是狄拉克磁单极假设改变了麦克斯韦方程组的结构,任何对偶变换都不能将狄拉克-麦克斯韦方程组简化为只有电荷而没有磁荷的原始形式.采用推广的洛伦兹力公式,还证明了狄拉克-麦克斯韦电磁场的能量密度和玻印亭矢量,以及动量密度和动量流张量形式不变.最后,我们还将狄拉克-麦克斯韦方程组分解为仅仅分别包含电荷与磁荷的两组麦克斯韦方程,传统的电动力学理论可以直接推广应用于磁单极问题.     

双孤子非线性干涉中的狄拉克磁单极势

本文深入研究了孤子干涉过程中的相位演化特性及其背后的拓扑矢势.基于一维非线性薛定谔方程的双孤子解,发现波函数密度零点广泛存在于拓展的复平面内,并且每一个密度零点对应狄拉克磁单极的矢势场.矢势场是由周期排布的具有相反磁荷的狄拉克磁单极对组成.通过观察磁单极子的运动,可以方便地理解干涉过程中的相位演化特征.特别发现,一对正负磁单极对在实轴上的碰撞恰好对应波函数相位在节点处的π跃变.此外,还对比讨论了线性波包干涉动力学中的狄拉克磁单极.结果表明狄拉克磁单极势广泛存在于波场的干涉现象之中,并且磁单极在拓展的复平面内分布特征可用于区分线性干涉和非线性干涉过程背后的拓扑性质.     

石墨烯莫尔超晶格

石墨烯莫尔超晶格来源于六方氮化硼衬底对石墨烯的二维周期势调控. 由于这种外加的周期势对石墨烯能带具有显著的调制作用, 近年来引发了人们广泛的关注. 利用氮化硼衬底上外延的单晶石墨烯薄膜, 我们系统研究了基底调制下的莫尔超晶格以及相关的物理特性. 首先, 我们在电子端和空穴端都观测到了超晶格狄拉克点, 并且超晶格狄拉克点同本征狄拉克点类似, 都表现出绝缘体的特性. 在低温强磁场下, 可以观测到到单层石墨烯和双层石墨烯的量子霍尔效应. 并且, 从朗道扇形图中, 可以清晰的看到磁场下形成的超晶格朗道能级. 此外, 利用红外光谱的方法研究了强磁场下石墨烯超晶格体系不同朗道能级之间的跃迁, 发现这种跃迁满足有质量狄拉克费米子的行为, 对应38 meV的本征能隙. 在此基础上, 我们在380 meV位置发现一个同超晶格能量对应的光电导峰. 通过利用旋量势中三个不同的势分量对光电导峰进行拟合, 发现赝自旋杂化势起主导作用. 进一步研究表明赝自旋杂化势强度随载流子浓度的增大显著降低, 表明电子-电子相互作用引起的旋量势的重构.     

三维各向同性谐振子的几何动量分布

尽管几何动量最初的引入是为了描述超面上的运动粒子的动量,却不需要限制在真实的曲面上.如果一个曲线坐标系包含了超面族和超面上的法向矢量作为一个坐标轴的单位矢量,几何动量可以定义在超面族上,并参与构造对易力学量完全集.在三维各向同性谐振子中,采用球坐标描述,存在等效球面,并在球面族上建立对易力学量完全集.因此,三维各向同性谐振子同时具有动量和几何动量分布.这两个动量的差,可以定义为径向动量,从而使得径向动量可以测量.那么,通过几何动量,可以显示出狄拉克引进的径向动量的物理意义,而不是一直认为的那样完全不具有观测意义.     

用力学方法测量一维有限狄拉克梳的电子态

通过对弦球链系统的力学性质测量,获得了一维有限狄拉克梳电子系统的电子态.实验结果表明:借助于对力学系统的测量获得的电子系统的能谱和波函数与理论计算符合得很好。     

相对论平均场理论对A=48同质量数链原子核对称能的研究

最新研究发现原子核对称能与平均的能级密度和同位旋矢量势直接相关. 在相对论平均场理论中, 势场可以分为同位旋矢量和同位旋标量两部分. 采用PK1，NL3, NLSH和TM1相互作用参数, 对于A=48同质量数链, 分别了计算势场中包含或不含同位旋矢量项时的原子核结合能, 研究了原子核的对称能, 即平均能级间距ε和同位旋矢量势的有效强度κ.     

非对易相空间中的狄拉克振子的能级和Wigner函数

非对易几何、弦论和圈量子引力理论的发展,使非对易空间受到越来越多的关注.非对易量子理论不同于平常的量子理论,它是弦尺度下的特殊的物理效应,处理非对易量子力学问题需要特殊方法.本文首先介绍了Moyal方程与Wigner函数,利用Moyal-Weyl乘法与Bopp变换将H(x,p)变换成^H(^x,^p),考虑坐标—坐标、动量—动量的非对易性,实现对非对易相空间中星乘本征方程的求解.并利用非对易相空间量子力学的代数关系,讨论了非对易相空间中狄拉克振子的Wigner函数和能级,研究结果发现非对易相空间中狄拉克振子的能级明显依赖于非对易参数.     

核子–核子散射过程的研究和矢量介子交换势

在推广的手征SU(3)夸克模型下讨论了核子–核子散射过程和矢量介子交换势.给出了赝标π介子和矢量ρ和ω介子的GCM中心力的交换势和NN散射14个分波的相移.研究表明,矢量介子交换势可以替代单胶子交换势以解释核力的短程排斥.     

Bessel光束的矢量分析及其能流密度的特征

通过比较自由空间Besssel光束标量解E(r,t)满足的方程和光场矢量E(r,t)与矢量势A(r,t)之间的关系表达式,利用Bessel的特点,合理构造了矢量势A(r,t)的具体形式,推导出电场量E(r,t)的磁场量B(r,t)各分量满足的具体形式。通过数值计算,给出电场E(r,t)在不同参数θ,φ下与径向坐标ρ之间的关系图线(图1,图2),发现由方程(6)描述的标量解仅是矢量场E(r,t)(方程15描述)在小θ下的近似。通过对能量传输特性的讨论,说明“超光速”的提法是不恰当的。     

大师是如何炼成的——王竹溪留学英国始末

文章通过描述狄拉克在访华过程中与王竹溪的交往经历,以及周培源对王竹溪留学过程的安排来厘清王竹溪留英的过程。尤其是新发现的几封王守竞、周培源与狄拉克之间的往来通信,从中还原了王竹溪成功前往英国剑桥大学留学始末,反映了叶企孙、吴有训、周培源等人对出国留学的中国物理学家的高瞻远瞩及细致安排。     

由正负磁单极对相互作用诱导的孤立狄拉克弦

基于三维旋量Gross-Pitaevskii(GP)方程研究在含时周期性外磁场作用下玻色-爱因斯坦凝聚体的动力学行为.结果显示,在含时周期外磁场的作用下,铁磁态自旋为1的玻色-爱因斯坦凝聚体将发生拓扑形变.当磁场的两个零点进入凝聚体后,自旋向上态的密度布居图在z轴上分别形成向上和向下的凸起.随着磁场的两个零点在凝聚体内逐渐重合,向上和向下的凸起被拉长,最终自旋向上态在z轴上呈线状分布,这与理论分析预测得到的孤立狄拉克弦相对应.最后,通过计算凝聚体的超流涡度给出磁单极的表征图.结果显示,凝聚体在磁场的两个零点处形成正、负磁单极对,分别对应着自旋向上态在z轴上向上和向下的凸起.随着磁场的两个零点重合,正、负磁单极对中的两条狄拉克弦逐渐靠近,之后大约经5 ms,它们完全相连,最终形成孤立的狄拉克弦.     

基于表面势的氢化非晶硅薄膜晶体管直流特性研究

基于表面势模型,在同时考虑深能态和带尾态分布下,采用简化的费米-狄拉克函数计算得到统一的定域态模型,并利用有效特征温度的概念,推导出a-Si:H TFT统一的电流-电压(I-V)模型.该模型可不分区地描述包括亚阈值区、线性区以及饱和区等a-Si:H TFT的所有工作区域.与实验得到的I-V特性进行比较表明,本模型能够准确地描述a-Si:H TFT的各个工作区的电流电压特性.     

外尔费米子的奇特热电性质

世界由各种微观粒子组成。这些粒子可以分为两大类,玻色子和费米子。费米子组成了物质,而玻色子传递物质之间的相互作用。1928年,为了精确计算原子的能谱,狄拉克基于量子力学的原理,同时考虑电子的相对论性运动,提出一个波函数方程来描述电子的行为。这个方程后来被称为狄拉克方程。该方程的意义远远超出了狄拉克的初衷。它不但给出了自旋的理论解释,还暗示了反物质的存在。狄拉克方程将量子力学和狭义相对论结合起来,成为了量子场论的两大基石之一,用于描述费米子的行为。     

封面故事

相速度是描述波动现象的一个重要物理量,它与方向有关但不是矢量,也不遵循矢量分解的原则．在绝大多数文献中所说的相速度也叫最小相速度,是指沿位相场梯度方向的相速度,即等相面行进速度．从波函数形式看,几率幅和相位是相互独立的．波函数所谓的统计几率只与它的振幅有关,而相速度一般是从位相项计算得到．简单的推导发现,稳态de Broglie波的相速度可以直接从其几率分布和势场分布得到,无须知道位相项的具体形式．或者说,de Broglie波的振幅不仅描述了几率分布,而且还描述了等相面行进速度即相速度分布．详见Chin．Sci．Bull．,2012,57：1494     

k=0处的类狄拉克锥

狄拉克锥在电子和经典波体系中分别被发现, 由于其线性能带关系, 伴随着很多独特的现象. 除了一般存在于布里渊区边界处的狄拉克锥, k=0处也存在包含线性能带关系的类狄拉克锥. 这个类狄拉克锥可以由单极子和偶极子的偶然简并而形成. k=0处的类狄拉克锥可以通过两维电介质光子晶体来实现, 利用等效媒质理论, 此时的光子晶体在类狄拉克点频率可以等效为介电常数和磁导率都为零的材料. 电介质双零折射率材料既可以避免阻抗的不匹配, 也可以避免体系推广到高频所引起的强烈损耗. 此外, k=0处的类狄拉克锥与双零折射率的概念可以从两维体系拓展到三维体系, 而且还可以从电磁波体系推广到声波和弹性波体系. 利用具有类狄拉克点的两维光子晶体, 在材料参数都偏离类狄拉克点条件的两个半无限大光子晶体所构成的界面中, 一定存在界面态. 这些界面态的存在可以通过层状多重散射理论得到的表面阻抗以及体能带的几何相位来彻底解释.     

高斯势垒/阱作用下非局域矢量光孤子 的传输特性

非局域非线性介质中高斯势垒或势阱作用下矢量光孤子的传输特性,由具有高斯型线性势的耦合非局域非线性薛定谔方程描述,通过平方算子法对方程进行数值计算,并利用分步法仿真矢量光孤子的传输.在非局域非线性大块介质中,异相位矢量孤子的分量总是自发地分离,高斯势垒可以抑制分量间的排斥作用;同相位矢量孤子的分量则总是自发地融合,高斯势阱可以抑制分量间的吸引作用.通过定量分析势垒高度(或势阱深度)或宽度与矢量孤子两个分量在归一化传输距离为500处的间距之间的关系,发现如果势垒(或势阱)的高度(或深度)及宽度太大或太小,高斯线性势都不能抑制这一过程,甚至会恶化矢量光孤子的传输.对于异相位孤子,最有效抑制分量分离过程的高斯势垒设置是高度为1.10,宽度为1.00;对于同相位孤子,最有效抑制分量融合过程的高斯势阱应设置是深度为-1.50,宽度为1.00.研究结果可为全光开关、光逻辑门、光计算等光控光技术提供参考.     

时变噪声过程的描述及应用

由信号的谱矩描述出发,对于随时间缓变的噪声过程,提出了演变矢量描述,可以反映信号主要性质的演变特性,并将演变矢量描述应用于飞机飞过噪声。     

一种柱状矢量偏振光的检测与评价方法

针对非均匀复杂偏振光束难以用一种偏振状态描述的现象,提出了一种点对点的偏振光检测方法,该方法能够同时检测光束横向切面内所有点的偏振态,为非均匀偏振光描述提供足够的信息,解决了柱状矢量偏振光光束的质量检测问题。运用这种方法,对已知偏振光束进行验证检验取得了良好的效果,证明了该方法可以作为一种可靠、稳定的方法用对柱状矢量偏振光检测与评价。另外,一些描述柱状矢量偏振光均匀性的参数被重新定义,为柱状偏振光的质量描述提供了量化指标。