原位创建的体育场形 GQD 的 STM 表征。图片来源：自然 （2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-08190-6

由加州大学圣克鲁斯分校物理学家 Jairo Velasco， Jr. 共同领导的一个国际团队已经在极其微小的量子领域中证明了混沌模式。在 11 月 27 日发表在《自然》杂志上的一篇新论文中，研究人员详细介绍了一项实验，该实验证实了 40 年前首次提出的一个理论，该理论指出，受限在量子空间中的电子将沿着共同的路径移动，而不是产生混乱的轨迹。

电子同时表现出粒子和波状特性——它们不会简单地像球一样滚动。电子的行为方式通常违反直觉，在某些条件下，它们的波可以相互干扰，从而将它们的运动集中到某些模式中。物理学家将这些公共路径称为 “独特的封闭轨道”。

在 Velasco 的实验室中实现这一目标需要将先进的成像技术和对石墨烯中电子行为的精确控制复杂结合，石墨烯是一种广泛用于研究的材料，因为它独特的特性和二维结构使其成为观察量子效应的理想选择。

在他们的实验中，Velasco 的团队利用扫描隧道显微镜的精细尖端探针，首先为电子创建一个陷阱，然后悬停在石墨烯表面附近，以检测电子运动而不会对它们造成物理干扰。

Velasco 认为，电子在有限空间内跟随封闭轨道的好处是，当亚原子粒子从一个点移动到另一个点时，它的特性会得到更好的保留。他说，这对日常电子产品具有巨大影响，解释了以电子特性编码的信息如何无损耗地传输，从而可以想象地产生更低功耗、高效的晶体管。

“这一发现最有前途的方面之一是它在信息处理中的潜在用途，”Velasco 说。“通过轻微干扰或'轻推'这些轨道，电子可以预测性地穿过设备，将信息从一端带到另一端。”

在物理学中，这些独特的电子轨道被称为“量子疤痕”。哈佛大学物理学家埃里克·海勒 （Eric Heller） 在 1984 年的一项理论研究中首次解释了这一点，他使用计算机模拟揭示了如果受限电子的波运动相互干扰，它们将沿着高密度轨道移动。

“量子疤痕不是一种奇特的东西。相反，它是通往奇怪量子世界的窗口，“Heller 说，他也是该论文的合著者。“瘢痕形成是围绕自身恢复的眼眶的定位。在我们正常的古典世界中，这些回报没有长期后果——它们很快就会被遗忘。但他们在量子世界中被永远铭记。

随着 Heller 的理论得到验证，研究人员现在拥有了探索潜在应用所需的实证基础。今天的晶体管已经处于纳米电子规模，通过采用基于量子疤痕的设计，增强计算机、智能手机和平板电脑等依赖密集封装晶体管来提高处理能力的设备，可以变得更加高效。

“对于未来的研究，我们计划以量子疤痕的可视化为基础，开发利用和操纵疤痕状态的方法，”Velasco 说。“利用混沌量子现象可以实现在纳米尺度上选择性和灵活传输电子的新方法，从而创新新的量子控制模式。”

Velasco 的团队采用一种通常被称为“台球”的视觉模型来说明线性系统与混沌系统的经典机制。台球是一个有界区域，它揭示了内部粒子如何移动，物理学中使用的一种常见形状称为“体育场”，其中两端是弯曲的，边缘是直的。在经典混沌中，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，该团队在原子薄石墨烯上创造了一个长度约为 400 纳米的体育场台球。然后，使用扫描隧道显微镜，他们能够观察到量子混沌的作用：最终亲眼看到了他们在 Velasco 实验室创建的体育场台球内的电子轨道模式。

“我很高兴我们成功地在真实的量子系统中对量子疤痕进行了成像，”第一作者和共同通讯作者 Zhehao Ge 说，他是这项研究完成时加州大学圣克鲁斯分校的研究生。“希望这些研究将帮助我们更深入地了解混沌量子系统。”

这篇题为“石墨烯量子点中相对论量子疤痕的直接可视化”论文的其他合著者包括加州大学圣克鲁斯分校的 Peter Polizogopoulos、Ryan Van Haren 和 David Lederman;哈佛大学的 Anton Graf 和 Joonas Keski-Rahkonen;曼彻斯特大学的 Sergey Slizovskiy 和 Vladimir Fal'ko;以及日本国家材料科学研究所的 Takashi Taniguchi 和 Kenji Watanabe。

更多信息：葛哲浩等人，石墨烯量子点中相对论量子疤痕的直接可视化，自然（2024 年）。DOI： 10.1038/s41586-024-08190-6

期刊信息： Nature