当一个芭蕾舞演员用脚尖旋转了一整圈的时候,她看起来就像她刚开始时一样。但是对于遵循量子理论规则的电子和其他亚原子粒子,并不一定如此。当一个电子围绕一条封闭的路径移动,并在它开始的地方结束的时候,它的物理状态与它离开的时候可能会一样,也可能会不一样。 现在,由于一个由国家标准与技术研究所(NIST)的科学家领导的国际研究小组,我们有了一种控制其结果的方法。这个小组已经开发出了第一个打开和关闭这个神秘的量子行为的开关。这一发现有望提供对量子理论基本原理的新见解,并可能导致新的量子电子器件的出现。 为了研究这个量子特性,NIST物理学家和研究员Joseph A. Stroscio和他的同事们研究了被圈在石墨烯——一种超强的,紧密排列的单层碳原子——中一个纳米尺度区域内的特殊轨道上的电子。被困住的电子围绕着石墨烯样品的中心旋转,就像电子围绕着原子的中心旋转一样。轨道电子在石墨烯内移动了完整的一圈之后通常会保持着相同的物理性质。但是当施加的磁场达到一个临界值的时候,它就起到了一个开关的作用,其会改变轨道的形状,使电子在完成完整的一圈之后具有了不同的物理性质。 这些研究人员将他们的发现发表在了2017年5月26日的《科学》杂志上。 新开发的量子开关依赖于一个被称为贝里相位的几何性质,其得名于1983年提出了该量子现象的理论的英国物理学家Michael Berry爵士。贝里相位与粒子的波函数有关,粒子的波函数在量子理论中描述了粒子的物理状态。波函数——想象一个海浪——既有振幅(浪的高度),也有相位——也就是波峰或波谷相对于波周期开始的位置。 当一个电子绕闭合路径完成了完整的一圈,从而回到它初始的位置的时候,它的波函数的相位可能会偏移,而不是返回到它原来的值。这一相位上的偏移,也就是贝里相位,是量子系统移动的一种记忆,与时间无关,只与系统的几何外形——路径的形状相关。此外,该偏移在很多量子系统中具有可以观察到的后果。 虽然贝里相位是一个纯量子现象,但在非量子系统中也有一个与之类似的现象。考虑一下福柯摆——在十九世纪用它来演示地球转动——的运动。悬浮的摆简单地在同一垂直平面上来回摆动,但在每一次摆动中都会出现缓慢的旋转——一种相移——这是由于地球自转的缘故。 自20世纪80年代中期以来,实验已经表明,几种类型的量子系统与贝里相位有关联。但是,直到现在的这一项研究为止,没有人能够创造出一个可以随意开启和关闭贝里相位的开关。该研究小组开发的这一个开关,受外加磁场的微小变化控制,在能量上给予电子一个突然和大幅度的增加。 当前研究小组中的几个成员——来自麻省理工学院和哈佛大学——开发了贝里相位开关的理论。 为了研究贝里相位和发明其开关,NIST小组成员Fereshte Ghahari制作了一个高质量的石墨烯器件来研究困在石墨烯中的电子的能级和贝里相位。 首先,研究小组限制电子占据一定的轨道和能级。为了使电子保持被围起来的状态,团队成员Daniel Walkup利用杂质在石墨烯下面的绝缘层创造了一个电篱笆的量子版本。 这使得NIST纳米技术用户设施——纳米尺度科技中心的一台扫描隧道显微镜能够探测到被困住的电子的量子能级和贝里相位。 研究小组随后将弱磁场直接施加到石墨烯片上。对于沿顺时针方向移动的电子来说,磁场会产生更加紧密和紧凑的轨道。但是对于沿逆时针轨道移动的电子来说,磁场会产生相反的作用,将电子拉向更宽的轨道。在一个临界的磁场强度处,该磁场可以起到贝里相位开关的作用。它扭曲了电子的逆时针方向的轨道,造成带电粒子在电篱笆的边界附近进行顺时针旋转。 通常,这些旋转不会有什么后果。然而,团队成员Christopher Gutiérrez说:“石墨烯中的电子具有一种特殊的Berry相位,其在这些磁致回旋被触发时开启。” 当贝里相位被开启时,轨道电子会突然跳到一个更高的能级。Stroscio说,量子开关提供了一个丰富的科学工具盒,其将帮助科学家们探索那些在传统半导体系统中没有对应物的新型量子器件的想法。 |






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