量子疤痕：破解40年电子学谜题，新发现可能重塑电子学

量子混沌，之前仅是理论概念，已被实验观测证实，验证了关于电子在受限空间内形成模式的40年理论。

使用石墨烯的先进成像技术，研究人员确认了“量子疤痕”，即电子遵循独特的闭合轨道。这些发现可能通过实现高效、低功耗晶体管，以及为新型量子控制方法铺平道路，从而彻底改变电子学。这一发现为混沌量子系统提供了洞见，弥合了经典与量子物理之间的差距。
在量子领域，哪里可以从混沌中产生模式？这个问题已由一个由UC圣克鲁斯物理学家Jairo Velasco Jr.共同领导的国际研究团队在《自然》杂志上发表的研究中得到回答。研究人员确认了一个40年前的理论，该理论表明，在量子空间内受限的电子遵循可预测的路径，而不是创造出一系列随机的轨迹。

电子之所以独特，是因为它们表现出粒子和波状性质。与可预测滚动的球不同，它们的行为常常是违反直觉的。在特定条件下，电子的波状性质可以引起干涉，将它们的运动集中到明显的模式中。物理学家将这些共同路径称为“独特的闭合轨道”。
在Velasco的实验室中实现这一点需要复杂的先进成像技术和对石墨烯内电子行为的精确控制。石墨烯因其独特的属性和二维结构而被广泛用于研究，使其成为观察量子效应的理想材料。在他们的实验中，Velasco的团队使用扫描隧道显微镜的精细尖端，首先为电子创建一个陷阱，然后靠近石墨烯表面，以检测电子的运动，而不会物理干扰它们。
电子在受限空间内遵循闭合轨道的好处是，亚原子粒子的属性在从一点移动到另一点时将更好地被保留，Velasco解释说。他说，这对日常电子学有广泛的影响，解释了如何将编码在电子属性中的信息无损失地传输，可能实现低功耗、高效的晶体管。
“这一发现最有希望的方面是其在信息处理中的潜在用途，”Velasco说。“通过轻微干扰或‘推动’这些轨道，电子可以可预测地穿过设备，从一端传递信息到另一端。”
在物理学中，这些独特的电子轨道被称为“量子疤痕”。这最初在1984年由哈佛大学物理学家Eric Heller在理论上解释，他使用计算机模拟揭示了受限电子如果被它们的波动运动相互干扰，将沿着高密度轨道移动。

“量子疤痕不是好奇心。相反，它是通往奇怪量子世界的窗口，”Heller说，他也是本文的合著者。“疤痕是围绕自身返回的轨道的局部化。这些返回在我们的正常经典世界中没有长期后果——它们很快就会被遗忘。但在量子世界中，它们将永远被记住。”
随着Heller的理论得到证实，研究人员现在有了探索潜在应用所需的经验基础。今天的晶体管已经在纳米电子尺度上，通过纳入基于量子疤痕的设计，可以变得更高效，增强依赖于密集封装晶体管以增强处理能力的设备，如计算机、智能手机和平板电脑。
“对于未来的研究，我们计划基于我们对量子疤痕的可视化，开发利用和操纵疤痕状态的方法，”Velasco说。“混沌量子现象的利用可以为在纳米尺度上有选择性和灵活性地传递电子提供新方法——从而创新新的量子控制模式。”
Velasco的团队使用一个常被称为“台球”的视觉模型来说明线性与混沌系统的经典力学。台球是一个有界区域，揭示了内部粒子的移动方式，物理学中常用的形状被称为“体育场”，其中端部是弯曲的，边缘是直的。在经典混沌中，一个粒子会随机且不可预测地反弹，最终覆盖整个表面。
在这个实验中，团队在原子薄的石墨烯上创建了一个体育场台球，长度大约为400纳米。然后，通过扫描隧道显微镜，他们能够观察到量子混沌在行动：最终亲眼看到了在Velasco实验室中创建的体育场台球内电子轨道的模式。
“我非常兴奋我们成功地在真实的量子系统中成像了量子疤痕，”第一作者和共同通讯作者、UC圣克鲁斯研究生Zhehao Ge在这项研究完成时说。“希望这些研究将帮助我们更深入地理解混沌量子系统。”

参考资料：DOI： 10.1038/s41586-024-08190-6