Aharonov e Bohm propuseram um cenário no qual partículas quânticas experimentam efeitos eletromagnéticos, embora não haja campo nas proximidades imediatas.
Física hoje 62, 38 (2009)/AIP
Os elétrons que passam em torno de lados opostos de um eletromagnet sentem campos magnéticos desprezíveis (roxo), mas o potencial eletromagnético (círculos e setas verdes) os afeta de maneiras opostas, levando a consequências mensuráveis. Antes do efeito ser proposto, os físicos pensavam que os campos deveriam interagir diretamente com partículas para causar efeitos eletromagnéticos mensuráveis.
Física hoje 62, 38 (2009)/AIP
Os elétrons que passam em torno de lados opostos de um eletromagnet sentem campos magnéticos desprezíveis (roxo), mas o potencial eletromagnético (círculos e setas verdes) os afeta de maneiras opostas, levando a consequências mensuráveis. Antes do efeito ser proposto, os físicos pensavam que os campos deveriam interagir diretamente com partículas para causar efeitos eletromagnéticos mensuráveis.
A 1959 Revisão física O artigo alegou que um campo elétrico ou magnético poderia influenciar partículas quânticas, embora as partículas nunca tenham experimentado o campo diretamente (1). No eletromagnetismo clássico, não há outra maneira de influenciar uma partícula além do contato direto com os campos. Embora a mecânica quântica estivesse bem estabelecida até então, a idéia se encontrou com ceticismo generalizado. Os argumentos sobre a análise teórica e as tentativas de verificação experimental continuaram por alguns anos, mas eventualmente o chamado efeito Aharonov-Bohm tomou seu lugar como uma demonstração legítima de física inesperada no mundo quântico.
No eletromagnetismo clássico, os campos elétricos e magnéticos são as entidades fundamentais responsáveis por todos os efeitos físicos. Existe uma formulação compacta de eletromagnetismo que expressa os campos em termos de outra quantidade conhecida como potencial eletromagnético, que pode ter um valor em todo o espaço. Os campos são facilmente derivados teoricamente do potencial, mas o próprio potencial foi considerado puramente um dispositivo matemático, sem significado físico.
Na mecânica quântica, as mudanças no potencial eletromagnético alteram a descrição de uma partícula carregada apenas mudando sua fase – ou seja, avançando ou retardando as cristas e calhas em sua função de onda quântica. Em geral, no entanto, essa mudança de fase não leva a nenhuma diferença nas propriedades mensuráveis de uma partícula.
Mas em 1959, Yakir Aharonov e David Bohm, da Universidade de Bristol, Reino Unido, desenvolveram um experimento de pensamento que ligava o potencial a um resultado mensurável. Em seu cenário, um feixe de elétrons é dividido, com as duas metades feitas para viajar em torno de lados opostos de um eletromagnet cilíndrico, ou solenóide. O campo magnético é concentrado dentro do solenóide e pode ser arbitrariamente fraco por fora, tornando o cilindro extremamente estreito. Assim, Aharonov e Bohm argumentaram que os dois caminhos de elétrons podem viajar por uma região essencialmente livre de campo que envolve o campo concentrado dentro do eletroímã.
Nesta região livre de campo, no entanto, o potencial eletromagnético não é zero. Aharonov e Bohm mostraram teoricamente que os elétrons nos dois caminhos experimentariam diferentes alterações de fase e que recombinando os feixes de elétrons produziriam efeitos de interferência detectáveis. Ou seja, a intensidade do feixe recombinado varia de acordo com se as funções de onda com mudança de fase reforçadas ou canceladas-um efeito físico mensurável diretamente relacionado ao potencial, ao contrário da sabedoria padrão. No entanto, a mudança de fase também pode ser calculada a partir da força do campo magnético, para que a interferência possa ser interpretada como um efeito de um campo magnético pelo qual os elétrons nunca passam. Aharonov e Bohm argumentaram que os físicos devem aceitar que, na mecânica quântica, o potencial eletromagnético tem um significado físico genuíno. Eles se expandiram neste ponto em um segundo artigo em 1961 (2).
O artigo de Aharonov-Bohm “criou uma sensação”, diz Murray Peshkin, agora no Laboratório Nacional de Argonne em Illinois. A questão preocupante period que uma medição mecânica quântica exigia o que parecia ser uma interpretação insustentável do potencial eletromagnético. “Havia muitos documentos tentando fazer Aharonov-Bohm ir embora, ou dizendo que havia algo errado com o cálculo”, diz Peshkin, mas depois de cinco anos as críticas desapareceram. Também surgiu que um artigo publicado dez anos antes (3) havia sugerido o efeito, mas Peshkin, e também Michael Berry, da Universidade de Bristol, argumentaram recentemente que Aharonov e Bohm merecem crédito por entender adequadamente o efeito que leva seu nome (4).
Artigos experimentais demonstrando o efeito começaram a aparecer brand após o primeiro artigo Aharonov-Bohm (5), mas eles também foram criticados, muitas vezes com o argumento de que os caminhos nos quais os elétrons viajavam não eram estritamente desprovidos de um campo magnético. Tais críticas estavam vazias, diz Peshkin, porque ninguém mostrou como pequenos campos residuais poderiam causar o efeito medido. Ainda assim, não foi até que os físicos realizassem um experimento no qual o eletroímã foi protegido por uma tela supercondutora, que bloqueou rigorosamente o campo magnético (6), que todas as dúvidas restantes sobre o efeito Aharonov-Bohm foram finalmente colocadas para descansar.
Mais informações
Física hoje Artigo de 2009 Nos testes experimentais do efeito Aharonov-Bohm e fenômenos relacionados (requer assinatura)
M. Berry, “Apropriadamente chamado Aharonov-Bohm Efeito tem analógico clássico, longa história”. Phys. Hoje638 (2010); M. Peshkin, “Apropriadamente chamado Aharonov-Bohm Efeito tem análogo clássico, longa história”. 638 (2010).
RG Chambers, “Mudança de um padrão de interferência de elétrons por fluxo magnético fechado”. Phys. Rev. Lett.5 (1960); G. Möllenstedt e W. Bayh, “Kontinuierliche Phasenschiebung von Elektronenwellen im kraftfeldfreien raum durch das solenóides eines de magnetische vektototencial”. Phys. Bl.18299 (1962).
N. Osakabe et al.“Confirmação experimental do efeito Aharonov-Bohm usando um campo magnético toroidal confinado por um supercondutor”. Phys. Rev. a34 (1986).
A demonstração de que os íons pode ser manipulada com precisão em uma armadilha contendo fotônica integrada abre caminho para um processador quântico de íons presos em larga escala. Leia mais »
