放射誘導フェルミオン共鳴(RFR)

Ultra high frequency fermion resonance induced by circularly polarized radiation: the resonance inverse Faraday efect.
https://www.thefreelibrary.com/Ultra+high+frequency+fermion+resonance+induced+by+circularly...-a0163331988
核磁気共鳴(NMR;電子スピン共鳴(ESR)と磁気共鳴画像(MRI)は、分析科学と医学で最も広く使用されています。それらは、永久磁石、通常は非常に高価で扱いにくい超伝導磁石によって生成される可能性がある磁束密度によって、分解能が制限されています。この論文では、NMRESR、およびMRIが原理的に永久磁石を使用せずに発生することを詳しく示しています。永久磁石は安価なマイクロ波またはレーザービームに置き換えられます。この技術を実装すると、安価な装置を使用して非常に高い解像度を実現できるため、この技術は主題に革命をもたらすでしょう。最初に、導入レベルで大まかな概要を示し、高度な技術の詳細は、関心のある人のために後のセクションに移ります。

円偏波放射は、永久磁石を使用せずにフェルミオン共鳴を誘導することが実証されています。これは、私たちが放射誘導フェルミオン共鳴(RFR)と名付けた技術です。共振周波数は、円偏光放射のパワー密度に比例し、その周波数の2乗に反比例します。これは、経験的に観察可能な逆ファラデー効果と同等の共鳴であり、したがって、その存在についての間接的な経験的証拠があります。現象の存在は、次のレベルで示されます。古典相対論;量子非相対論的(時間依存および時間依存の固有スピンを持つシュレディンガー方程式;量子相対論(ディラック方程式;と量子電気力学。効果の数値計算は、量子電気力学レベルで行われます。マイクロ波と電子ビームを用いた実験的調査について提案がなされています。理論のすべてのレベルは、フェルミオン共鳴が、最も強力な現代の超伝導磁石で利用可能な周波数よりもはるかに高い周波数に調整できることを示しています。効果の化学シフトが計算され、新規の分子特性テンソルに依存するため、RFRには独自のサイト固有のフィンガープリントがあります。したがって、少なくともNMRESRと同じくらい実用的な化学物理学に役立つ可能性があります。潜在的に、従来のNMRESRよりもはるかに高い分解能でフェルミオン共鳴スペクトルも得られます。これらの組み合わされた利点により、潜在的に、それは化学物理学における幅広い有用性の強力な新しい技術になります。

 

    

    
1.
はじめに

核磁気共鳴(NMR)、電子スピン共鳴(ESR)、および磁気共鳴画像(MRI)の技法は、現代の分析科学および医学で広く使用されており、すべて1つの基本原理であるフェルミオン共鳴に依存しています。簡単に言うと、フェルミオン共鳴は、電子またはESRプロトン)などのフェルミオンのスピン状態の変化を誘発することによる、ラジオまたはマイクロ波放射の特定の周波数での吸収です。磁気共鳴イメージングでは、磁場勾配を使用して臓器の画像を生成します。この画像は、多くのタイプの病気の分析に使用できます。従来のESRおよびNMRでは、共鳴は円偏波ラジオまたはマイクロ波周波数ビームによって検出され、電子と陽子のエネルギー状態は、非常に強力な永久磁石(通常は高価な超伝導磁石)を使用して非常に少量分離されます。これは磁気的に誘導される共鳴であり、その分解能と有用性は、永久磁石によって生成されることができる磁場の強さによって制限されます。

この論文では、強力な永久磁石を電磁放射の円偏光ビームで置き換えることにより、これらの制限を取り除くことができることを示しています。このペーパーでは、最初に導入レベルの概要を示し、次に関心のある人のための技術的な詳細を示します。

光および電磁放射のすべての偏光は、左旋または右旋の円偏光から構築でき、電磁場の電気または磁気コンポーネントの先端によって引き出される経路であるらせんで考えることができます。真空を通過するときのように。直線偏光は、50%の左円偏光放射と50%の右円偏光放射で構成され、基本レベルでは、光子は円偏光、つまり、手回しまたはキラルであると考えられています。直線偏光のこの特性の興味深い結果の1つは、直線偏光の偏光面が磁場を通過するときに傾斜することです。これは、19世紀初頭にマイケルファラデーによって初めて実証された効果であり、彼にちなんで名付けられました。 100年以上後、ハーバード大学Bloembergenグループ、特にPeter Pershanは、ファラデー効果を逆転させることができ、円偏光レーザーパルスがすべての材料に磁化を誘導できることに気づきました。これは逆ファラデー効果と呼ばれました。 1996年に、エバンス、ビジェ、ロイ、ジェファーズによって、通常の永久磁場を円偏波マイクロ波磁場に置き換えることにより、すべての材料にフェルミオン共鳴を誘起するために逆ファラデー効果を使用できることがわかりました。このホワイトペーパーでは、最初に効果の概要を示し、次に技術的な詳細を示します。詳細は、専門家の関心のために後のセクションに移ります。


非常に高価で扱いにくい超伝導磁石を通常のマイクロ波ビームで置き換えると、放射誘導フェルミオン共鳴(RFR)が発生します。このペーパーは、RFRが通常のNMRまたはESRよりもはるかに強力な分解能を備えていることを技術的に詳しく示しています。したがって、RFRMRIでも関心が高いと思われます。 RFRにはこの利点があり、コストを大幅に削減できます。数百万ドルの磁石が通常の円偏波マイクロ波ビームに置き換えられます。 RFRの分解能は、円偏波マイクロ波ビームの電力密度または強度(ワット/平方メートルの2乗)に比例し、その周波数(ヘルツ)に反比例することが示されています。緊急時に使用するモバイルMRIユニットや、分析実験室や産業用オンサイト分析用のモバイルNMRおよびESRユニットを開発することは可能かもしれません。その理由は、数トンの超伝導磁石が低出力のマイクロ波ビームに置き換わっているからです。 RFRの技術は、例えば、物理化学の約40%で使用されている従来のNMRESRのような多くのアプリケーションと、重要なすべての医療施設で見られるMRIのような多くのアプリケーションがあります。すでに説明した利点に加えて、RFRNMRおよびESRよりもはるかに高い分解能を持ち、「ケミカルシフト」として知られる独自の特徴的なスペクトルフィンガープリントも持っています。

専門家向けのこの論文の技術セクションでは、これらの結果が、物理学のすべてのレベルで、すべての既知の方程式から、古典的レベルから量子相対論まで、明らかになっていることが示されています。テクニカルディスカッションセクションでは、RFRの実験的開発を開始する方法を提案し、電子または他のビームと相互作用するマイクロ波ビームを使用したプロトタイプ実験を提案します。成功した開発の重要性は、馬のいない馬車の開発に似ています。上記の概要をサポートするために、技術的な紹介とともに、次第に難しい技術資料が続きます。

この論文では、よく知られている、経験的に観測可能な逆ファラデー効果{1-6}が同等の共鳴を持っていることを示しています。経験的に観測可能な逆ファラデー効果の存在は、RFRも経験的に存在する必要があることを意味します。 RFRでは、円偏光放射は、永久磁石を使用せずに、フェルミオン共鳴(たとえば、陽子または電子)を誘発します。効果は、理論的には、古典的な非相対論的なレベルから、効果の数値計算が行われる量子電気力学まで、いくつかのレベルで導出されます。

セクション2では、RFRの存在は、複雑なベクトルポテンシャルを持つ最小処方を使用して、また放射のストークスパラメータの基本的な考察を通じて、古典的な非相対論的レベルで示されます。放射によって誘導されたフェルミオン共鳴周波数([f res])は、放射のパワー密度(I)に比例し、その角周波数の二乗に反比例することが示されています(ω=2πfここで、fはヘルツ単位の周波数です)。したがって、共振周波数([f res])は、円偏光されたポンプビームのIおよびfを調整することによって調整することができる。共鳴周波数は、(従来のNMRまたはESRのような)従来の超伝導磁石で利用可能なものよりもはるかに高く調整できます。したがって、RFRの分解能はNMRおよびESRの分解能よりもはるかに高く、RFRの化学シフトはセクション(6)で導出された新しい分子特性テンソルによって制御されます。したがって、RFRには独自の明確なサイト固有のスペクトルフィンガープリントがあり、従来のNMRまたはESRよりもはるかに高いスペクトル分解能があります。特性は、それを化学物理学において潜在的に非常に有用かつ重要な実用的な方法にします。

RFR
の原因となる理論上のメカニズムは古典的であり、非相対論的限界で発生します。したがって、それは相対論的古典レベルと量子力学で発生します。セクション(3)では、アインシュタイン方程式を使用して、古典相対論的レベルで導出されます。セクション(4)では、Sakurai {7}によって記述されているように、固有スピンを持つ時間非依存および時間依存シュレディンガー方程式を使用して、非相対論的量子レベルで導出されます。セクション(5)では、それは相対論的量子レベルで導出されます。セクション(6)では、RFRの化学シフトは、NMRおよびESRのように、効果がサイト固有であることを示す新しい分子特性テンソルを使用して導出されます。これは、NMRまたはESRに類似したRFRの最も有用な分析特性であり、化学シフトが最も有用な特性です。最後に、セクション(7)では、RFR現象が量子電気力学とモデル計算から得られた数値結果で示されています。議論は、注意深く設計された2ビームプロトタイプ実験、つまり円偏光マイクロ波ビームと電子ビームの相互作用による実験検証の提案で論文を締めくくります。

2.
非相対論的古典レベル

古典的、非相対論的、物理学でRFRを導出するために、複雑なベクトルポテンシャルA(平面波)の最小処方を使用して、古典的電子と古典的電磁界との相互作用を検討します。まず、古典電子のニュートン運動エネルギーを考えます。

[H KE] = [1 / 2m] p x p
1

ここで、pは電子の線形運動量、mはその質量です。ベクトルポテンシャルAが一般に複素数値である最小の処方を通じて、電子が古典的な電磁場と相互作用するようにします。したがって、相互作用の運動エネルギーは、以下の実際の部分です。

[H KE] = [1 / 2m]
p-eA))xp -e [A *])(2

ここで、A[A *]複素共役横平面波です。共役積A x [A *]は経験的に観測可能な逆ファラデー効果{1-6}の原因であり、A x [A *]は次の3番目のストークスパラメーターに比例することがよく知られています。円偏光について説明します{8}。古典的なレベルでは、相互作用のエネルギーは次のようになります。

[
数式はASCIIで再現できません。]3

多数のテキストで説明されているよく知られている結果{9)。

RFR
項を導出するために、計算の基礎としてパウリ行列を使用します。これは、桜井{7}の式に記載されています。 (3.18)。古典的な電子と古典的な電磁場の間の相互作用は、次に古典的なレベルで記述されます。

[H.sub.KE] = [1/2m][sigma]*(p - eA))[sigma]*(p - e[A.sup.*]) (4)

この相互作用エネルギーは、次のように説明される4つの独立した用語で構成されます。

1
)マグネット

[ASCII
では再現できない数学式]24

ここで、[μ0]は、S.I。単位での真空透過率である。

RFR技術の基礎は、共鳴角周波数[ωres]でのプローブ光子が、共鳴条件下で吸収され得ることである:

[ASCII
では再現できない数学式]25

パウリ行列[σz]の負の状態から正の状態への遷移によって定義される。このプロセスは、NMRが無線周波数分光法である通常の光吸収に正確に類似しています。したがって、RFRプローブの共振周波数は次のとおりです。

[
数式はASCIIで再現できません。]26

そして、通常のNMRまたはESR超伝導永久磁石の代わりとなる円偏波ポンプ電磁場の角周波数ω2乗に反比例します{1415}

1 H陽子共鳴について、結果(26)は、陽子および電子の実験的に異なるg因子、それぞれ5.5857および2.002についての開発において経験的に調整される。より完全な理論は、陽子の内部構造に依存しなければなりません。同様に、g因子が陽子のそれと異なる他の原子核についても同様です。原則として、ここで開発された理論は、超電導磁石の代わりに容易に入手可能なマイクロ波または無線周波数発生器を使用して核特性を調査する手段を生み出します。

したがって、陽子共鳴の場合、RFR方程式は次のようになります。

[
数式はASCIIで再現できません。]27

また、この式のいくつかのデータを表1に示します。これは、RFR陽子共鳴周波数が通常のNMRで得られる周波数よりもはるかに高いことを示しています。したがって、RFRの付随する分解能も理論的にははるかに高く、機器の分解能は理論的に大幅に改善されています。さらに、化学シフトを決定する分子特性テンソルは一意であるため、RFRには独自のスペクトルフィンガープリントがあります(セクション6)。

RFR
を電子に適用すると、eqnと同等の、









4.
非相対論的量子レベル

時間に依存しないシュレディンガーパウリ方程式。

時間に依存しないシュレディンガー方程式と時間に依存するシュレディンガー方程式の両方を使用して、量子力学におけるRFR項の存在を実証できます。これは、RFR項が本質的に古典的であるため、対応原理と一致する実証です。櫻井{7}によって実証されたように、時間に依存しないシュレディンガーパウリ方程式を使用して、非相対論的量子極限における通常のESRおよびNMRを実証できます。時間に依存しないシュレディンガーパウリ方程式を使用して、非相対論的量子力学におけるRFR項を示すために、この方法を採用します。


ここで、Vは結果に影響を与えないポテンシャルエネルギー項です。この方法は、最初に静磁場に対応する実数値のポテンシャル関数Aを使用して自己無矛盾性をチェックし、次に同じ式を使用してRFR項の存在を示します。

静磁場では、最小処方は、古典的な電磁場におけるフェルミオンの時間に依存しないシュレディンガーパウリ方程式が次のとおりであることを示しています。



これは、最初に通常ディラック方程式から導出される有名な「半積分スピン」の項です。しかし、桜井{7}に続いて、この項は、先に示したように、時間に依存しないシュレディンガーパウリ方程式からの量子力学の非相対論的限界に存在します。この項の存在を示すために、時間依存のシュレディンガーパウリ方程式を使用する必要はありません。ただし、よく知られている演算子の等価なp [右矢印] -i [??] [nabla]に依存するため、これは純粋に量子項です。これはスピンゼーマン効果であり、摂動論では非ゼロの基底状態エネルギーを与えます。












7.
ディスカッション

RFR
を実験的に検出するには、最初にフェルミオンビームと電磁ビームの相互作用に取り組む必要があります。次に、このホワイトペーパーで示した1つのフェルミオン理論のすべてのレベルを、それらに最も近いレベルでテストできます。 RFRのデモンストレーションを成功させるには、ビームの相互作用に関する注意深いエンジニアリングが必要です。 RFRの実証に成功するために必要なマイクロ波周波数で、逆ファラデー効果が実験的に実証されています{20}。最も単純な例は自動共鳴であり、円偏波ポンプ周波数(ω)がRFR周波数([ωres])と同じになるように調整されます。



したがって、相互作用するフェルミオンビームと電磁ビームを使用して、特定のI[ωres]を調整することも、その逆も可能です。ポンプ周波数がこの(マイクロ波)範囲内にある場合、自動共振はGHzで表示される必要があるため、ファラデー誘導による逆ファラデー効果の実証でDeschamps et al {20}によって説明されている設定を変更すると便利な場合があります。この論文のように、共鳴によるのではなく。彼らは、クライストロンからの3.0 GHzのパルスマイクロ波信号を使用して、10 Hzの繰り返し率で12マイクロ秒にメガワットの電力を供給しました。 [TE 11]モードは、直径7.5cmの円形導波管の内側に配置された偏光子で円偏光された。プラズマは非常に強いマイクロ波パルスによって生成されました。 RFRを実験的に検出するには、プラズマではなく電子ビームと相互作用する電磁ビームを使用して、同じ工学標準に到達する必要があります。マイクロ波放射の強度は、eqnによって制御されるため、はるかに低くなります。 (b)自動共鳴用。 Deschampsらが使用した設計{20}のように、チューブを囲む導波管のセクションは、20ミクロンの銅層で内部がコーティングされたナイロンで作成する必要があります。入ってくる電子ビームは、マイクロ波放射を円偏光するために使用される円形導波管に注意深く導かれる必要があります。エンジニアリング設計は、逆ファラデー効果を検出したDeschamps et alia {20}の実験と少なくとも同じくらい正確でなければなりません。 Eqn。 (b)電子ビームのI0.0665ワット/ [cm 2]に調整されている場合、共振は3.0 GHzで発生すると予測します。直径7.0 cmの円形導波管の場合、3.0 GHzのクライストロンからの円偏波マイクロ波電力は2.94ワットで十分です。

上記の推定は1つのフェルミオン理論に基づいており、ビーム内のフェルミオン-フェルミオン相互作用により、フェルミオンビーム内の共振周波数は異なります。したがって、予想外の差異を許容するために、理論的な2.94ワットのかなりの範囲で調整できることを強くお勧めします。主共振周波数が検出されると、精密化が続き、電子ビームは、例えば陽子ビームまたは原子ビームに置き換えられます。実験的実証は、予想されるI / [ω2]依存性を検出することを目的とし、原子線または分子線サンプルにおいて、新規な分子特性テンソル[による予想される部位特異性を検出する。

この一連のビーム実験が成功すると、分析化学物理学の主要な新しい技術が出現します。 RFRは、プラズマの磁化を使用してDeschamps等によってマイクロ波周波数で最初に検出された非常によく知られている逆ファラデー効果の共振等価物であり、はるかに大きなマイクロ波ポンプ出力を必要とする方法であることを強調します。したがって、この意味で、RFRの根底にある現象は経験的に検出されています。


References

(1.) A. Piekara and S. Kielich.(1958). Arch. sci., 11 (304); (1967) Acta Physica Polonica, 32 (405).

(2.) P.S. Pershan. (1963). Phys. Rev., 130, (919).

(3.) J.P. van der Ziel, P.S. Pershan and L.D. Malmstrom. (1965). Phys. Rev. Lett., 15 (190).

(4.) P.S. Pershan, J.P. van der Ziel and L.D. Malmstrom. (1966). Phys. Rev., 143 (574).

(5.) P.W. Atkins and M.H. Miller. (1968). Mol. Phys., 75 (491), 503.

(6.) M.W. Evans and S. Kielich (eds.). 1967. Modern Nonlinear Optics. New York: Wiley.

(7.) J.J. Sakurai. (1967). Advanced Quantum Mechanics. New York: Addison Wesley. (11th printing), chap. 3.

(8.) L.D. Baron. (1982). Molecular Light Scattering and Optical Activity. Cambridge: Cambridge Univ. Press.

(9.) E.R. Pike and S. Sarkav. (1995). The Quantum Theory of Radiation. Oxford: Oxford University P.ress.

(10.) C. Itzykson and J.B. Zuber. (1980). Quantum Field Theory. New York: McGraw-Hill.

(11.) J.D. Jackson. (1962). Classical Electro-dynamics. New York: Wiley.

(12.) L.D. Landau and E.M. Lifshitz. (1975). The Classical Theory of Fields. Oxford: Pergamon.

(13.) V.B. Beresteskii, E.M. Lifshitz and L.P. Pitaevski. (1971). Relativistic Quantum Field Theory. Oxford: Pergamon.

(14.) R.R. Ernst, G. Bodenhausen and A. Wokaun. (1987). Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions. Oxford: Oxford Univ. Press.

(15.) P.W. Atkins. Molecular Quantum Mechanics. (1983). Oxford: Oxford Univ. Press.

(16.) L.H. Ryder. Quantum Field Theory. (1987). Cambridge Univ. Press. (2nd. Ed.).

(17.) J.D. Bjorken and S.D. Drell. (1964). Relativistic Quantum Mechanics. New York: McGraw-Hill.

(18.) M.W. Evans, J.P. Vigier, S. Roy and S. Jeffers. 1994-1999. The enigmatic photon. Kluwer Academic, Dordrecht.

(19.) R.A. Harris and I. Tinoco, J. (1994). Chem. Phys. 101, (9289).

(20.) J. Deschamps, M. Fitaire and M. Lagoutte. (1970). Phys. Rev. Lett. 25 (1330); (1972). Rev. Appl. Phys. 7 (155).