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iamikaruk木虫 (著名写手)
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一篇PRL文献讨论，电子自旋与电子运动产生磁场的相互作用
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最近在阅读一篇PRL文献的时候，发现该文章中有两个地方不太理解，现把文献放上来与版上各位探讨一下。 1. 该文献中探讨了由涡旋电子束产生的电场和磁场，以实验室作为参照系，这是可以理解的。但是我不太理解的地方是，这篇文章的一个核心在于涡旋电子束的自旋磁矩与该电子束运动所产生的磁场产生了相互作用。而我的疑问就在于：如果以涡旋电子束作为参照系，那么在该电子参照系下是没有磁场的，因此电子束的自旋磁矩并不会与自身电荷运动产生的磁场相互作用。 2. 该文章中估计了涡旋电子束的自旋磁矩与该电子束运动所产生的磁场产生了相互作用大小为3*10^(-13) eV，这个量级远小于原子物理中的自旋轨道耦合相互作用能量的大小，我的估计大概是10^(-4)~10^(-5) eV量级，与自旋轨道耦合相互作用能量的量级相当。 |
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2013-02-18 14:50:38, 156.37 K
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iamikaruk
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(1)怎么会不知道？自由电子运动的电磁场很好计算，该PRL文章就算出了涡旋电子的电磁场。所以该文章问题就在这里，如果自身的电磁场还作用于本身，那即使是自由电子，也是很难求解的，因为既不知道波函数，又不知道对应于运动的电磁场。 (2)不会有辐射。这很容易与固体物理中的自旋轨道耦合做对比，在原子中以实验室做参照系是电子绕原子核运动，但是可以处理成以电子为参照系，原子核绕电子运动。 (3)“平面波的自旋和自己的磁场耦合”——我不能理解这样的物理过程，所以也无法计算。但是对于多电子问题，显然不为0。我计算的结果是外场作用下的，与这里讨论的有本质区别，这个能量对比的是作者文章中指的第二种情况，也即有一个原子核与电子作用情况下。 (4)平面波只是一种理想而已，事实上实验中所用的粒子源都有空间相干性和时间相干性，你不能因为它是个波包就否定它是自由粒子。用离散或者连续描述束缚态也不一定合适，因为固体中的电子能带就是连续的。借用wiki上的描述“In physics, a bound state describes a system where a particle is subject to a potential such that the particle has a tendency to remain localised in one or more regions of space. The potential may be either an external potential, or may be the result of the presence of another particle.” 所以第一，要有potential；第二要 localized。 |
37楼2013-02-24 15:29:57
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华丽的飘过: 回帖置顶 2013-02-24 09:41:32
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华丽的飘过: 回帖置顶 2013-02-24 09:41:32
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我也不太懂，但谈谈我的看法，仅供作者参考： （1）该文章讨论是自旋轨道耦合的问题，因为电子自旋是量子力学效应，没有经典物理量相对应，所以自旋轨道耦合具体的物理机制还不太清楚，只知道运动电荷作用于自旋，会产生自旋轨道耦合作用，该相互作用是用相对论量子力学的狄拉克方程来描述的，因为电子是微观粒子，又高速运动。所以，自旋轨道相互作用既然不能用经典力学来描述，所以选取经典的参考系来讨论电荷和自旋的作用是没有任何意义的，因为在相对论中没有相对的参考系。 （2）这个涡旋电子的运动不同于电子的轨道运动，因为原子物理中的电子轨道运动，电子是受到原子核的库伦力的作用绕原子核做圆运动，而你说的电子的涡旋运动可能类似于一个局域在量子阱的电子的平面运动，可能需要局域电场和磁场，就像Rashab自旋轨道耦合作用一样，如果是那样，那么你说的自旋轨道耦合强度就可以类似于Rashba自旋轨道耦合强度，其数量级也在1～10×10^(-12)eVm. |
2楼2013-02-18 16:50:36
iamikaruk
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华丽的飘过: 回帖置顶 2013-02-24 09:41:39
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多谢你的回复 1. 对于经典的自旋轨道耦合效应，解释是将电子作为参照系，而原子核相对运动，因此运动的原子核的电场将产生磁场，并与电子的磁矩相互作用，具体在维基上有比较详细的说明。所以我现在的问题就在于电子自身产生的磁场（以实验室作为参照系），会与自身的自旋磁矩产生相互作用么？我不是很能理解这个。而且free charged particle的Dirac方程中并不包含这一项。 2. 看了一下Rashba自旋轨道耦合强度，它的单位不是能量单位。我没有具体去换算它的单位，但是如果将eVm换算成ev angstrom，那就是10×10^(-2)eV angstrom，也就说在原子的线度上，能量是10×10^(-2)eV 请您多多指教  |
3楼2013-02-18 17:18:36
华丽的飘过: 回帖置顶 2013-02-24 09:41:41
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您太客气了，指教谈不上，我也不是很懂您的问题的。就是感觉不能用经典的角度分析与自旋有关的问题，您说的《原子物理学》中的自旋轨道作用也是半经典的方法，例如用到自旋和轨道的量子化。另外你所说的，电子绕原子核做轨道运动的问题，和你所要解决的问题不一样。因为前者你不管选取原子核还是电子为参考系，那么另一个都在做相对运动，电子自旋相对原子核都是运动的，是很好理解的。但是你现在要解决的是电子运动产生的赝磁场对自身自旋的作用，显然你选取电子本身为参考系和实验室为参考系，是不一样的。因为对于经典的相对运动，绝对速度=相对速度+牵连速度。而在相对论中，显然经典是不成立，因为光速是不变的，你选取任何参考系，不管是静止的实验室还是运动的电子，看到的光速都是一样的，不变的。同样对于电子的运动，应该接近光速，所以用相对论更符合实际。 （2）我举的Rashba自旋轨道耦合的系数，是个单位长度（1米）上的自旋轨道耦合强度，不是您所说的单位：尔格，也许不符合你的问题。 |
4楼2013-02-18 22:37:12
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