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Type: Tese de Doutorado
Title:  Quantum interference of force, Hanbury Brown and Twiss with electrons, and photon reflection by a quantum mirror
Authors: Raul Correa Silva
First Advisor: Pablo Lima Saldanha
First Referee: Leonardo Teixeira Neves
Second Referee: Reinaldo Oliveira Vianna
Third Referee: Stephen Patrick Walborn
metadata.dc.contributor.referee4: Gabriela Barreto Lemos
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.
Abstract: This Thesis contains work developed in three subjects. In the first of them, we show that a quantum particle under the action of a positive force in one path of a Mach-Zehnderinterferometer and a null force in the other path may receive a negative average momentum transfer when it leaves the interferometer by a particular exit. In this scenario, an ensemble of particles may receive an average momentum in the opposite direction of the applied force due to quantum interference, a behavior with no classical analogue. We name this effect as ¿quantum interference of force¿, and discuss some experimental schemes that could verify the effect with current technology, with electrons or neutrons in Mach-Zehnder interferometers in free space and with atoms from a Bose-Einstein condensate. We then discuss the case of two electrons propagating in the same Mach Zehnder interferometer and show that, due to the same quantum interference of force effect, the two electrons can sometimes suffer an effective attraction. The second subject is the development of an experimental proposal to detect the Hanbury Brown and Twiss interference with electrons propagating in free space. In previously realized experiments, doubts were casted upon the results, which may be explained as caused by Coulomb repulsion of the electrons instead of a two-particle interference effect. In our proposal, the two effects can be clearly distinguished, opening the path for imaging with incoherent electron sources. Finally, the third subject concerns the derivation from first principles of the momentum exchange between a photon and a quantum mirror upon reflection, by considering the boundary conditions imposed by the mirror surface on the photon wave equation. We show that the system generally ends up in an entangled state, unless the mirror position uncertainty is much smaller than the photon wavelength, when the mirror behaves classically. Our treatment leads us directly to the conclusion that the photon momentum has the known value ~k, and this allows us to contribute to the longstanding Abraham¿Minkowski debate about the momentum of light in a medium. We show that in our setting the Minkowski momentum is revealed, in which the light momentum is proportional to the medium refractive index.
Subject: Interferência quântica
Optica quantica
Eletrons
language: Inglês
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SMRA-BDXFNC
Issue Date: 27-Feb-2019
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