研究人員開發磁開關以打開和關閉奇怪的量子特性

當一個芭蕾舞女演員旋轉，旋轉一整圈，她看起來就像她開始時一樣。但對于遵循量子理論規則的電子和其他亞原子粒子，并不一定如此。當一個電子圍繞一條封閉的路徑移動，最終在它開始的地方移動時，它的物理狀態可能與它離開時相同或不同。

現在，由于國家標準與技術研究所(NIST)科學家領導的一個國際研究小組，有一種方法可以控制結果。該團隊開發出了第一個打開和關閉這種神秘量子行為的開關。該發現有望為量子理論的基本原理提供新的見解，并可能導致新的量子電子器件。

為了研究這種量子特性，NIST物理學家和同事Joseph A. Stroscio及其同事研究了在納米尺寸的石墨烯區域內的特殊軌道中的電子 - 一種超強的單層緊密堆積的碳原子。當電子圍繞原子中心運行時，被圍繞的電子圍繞石墨烯樣品的中心運行。在石墨烯中行進完整的電路之后，軌道電子通常保持相同的精確物理特性。但是當施加的磁場達到臨界值時，它充當開關，改變軌道的形狀并在完成完整電路之后使電子具有不同的物理特性。

研究人員在2017年5月26日的“ 科學”雜志上報告了他們的發現(鏈接是外部的)。

新開發的量子開關依賴于稱為Berry階段(link is external)的幾何屬性，以英國物理學家Sir Michael Berry (鏈接為外部)命名，他在1983年開發了這種量子現象的理論.Berry階段與粒子的波函數，在量子理論中描述粒子的物理狀態。波函數 - 想象海浪 - 具有幅度(波的高度)和相位 - 相對于波周期開始的峰值或谷值的位置。

當電子圍繞閉環形成完整電路以使其返回其初始位置時，其波函數的相位可能會移位而不是返回其原始值。這種相移，即Berry相，是量子系統行程的一種記憶，并不依賴于時間，只取決于系統的幾何形狀 - 路徑的形狀。此外，這種轉變在廣泛的量子系統中具有可觀察到的后果。

盡管Berry相是純粹的量子現象，但它在非量子系統中具有類比。考慮一下Foucault鐘擺的運動，它用于展示19世紀地球的自轉。懸掛的擺錘只是在同一垂直平面內來回擺動，但在每次擺動時似乎都會緩慢旋轉 - 這是一種相移 - 由于地球在其下方的旋轉。

自20世紀80年代中期以來，實驗表明幾種類型的量子系統具有與它們相關的漿果相。但在目前的研究中，沒有人構建過可以隨意打開和關閉Berry階段的開關。由團隊開發的開關由施加的磁場的微小變化控制，使電子突然大量增加能量。

位于麻省理工學院和哈佛大學的現有研究團隊的幾位成員開發了Berry相位開關的理論。

為了研究Berry階段并創建開關，NIST團隊成員Fereshte Ghahari建立了一個高質量的石墨烯器件來研究石墨烯內部電子的能級和漿態相。

首先，該團隊限制電子占據一定的軌道和能量水平。為了保持電子的存在，團隊成員Daniel Walkup通過在石墨烯下面的絕緣層中使用電離雜質創建了一個電子柵欄的量子版本。這使得NIST納米技術用戶設施 - 納米科學和技術中心的掃描隧道顯微鏡能夠探測受限電子的量子能級和貝瑞相。

然后該團隊應用了一個指向石墨烯片的弱磁場。對于沿順時針方向移動的電子，磁場產生更緊湊，更緊湊的軌道。但是對于沿逆時針軌道運動的電子，磁場具有相反的效果，將電子拉入更寬的軌道。在臨界磁場強度下，磁場充當Berry相位開關。它扭轉了電子的逆時針軌道，使帶電粒子在電柵欄邊界附近執行順時針旋轉。

通常，這些旋轉不會有什么后果。然而，該團隊成員克里斯托弗·古鐵雷斯說，“石墨烯中的電子具有特殊的漿果相，當這些磁性誘導的旋轉物被觸發時，它會接通。”

當Berry相接通時，軌道電子突然跳躍到更高的能級。Stroscio說，量子開關提供了豐富的科學工具箱，可以幫助科學家利用新的量子器件的想法，這些器件在傳統半導體系統中沒有模擬器件。