你在混乱中看到了哪些模式？这一点现在在微小的量子领域得到了证明。研究人员描述了一项实验，验证了四十年前提出的一项理论，表明被困在量子空间中的电子倾向于沿着共享路径移动，而不是形成无序的路径混乱。
你在混乱中看到了哪些模式？一个国际团队，由加州大学圣克鲁斯分校的物理学家哈伊罗·韦拉斯科（Jairo Velasco, Jr.）联合领导，已经在微小的量子领域展示了这一点。他们最新的研究成果，于11月27日发表在《自然》杂志上，概述了一项支持40年前所提出理论的实验，该理论表明，被限制在量子空间中的电子将遵循共同的轨迹，而不是形成混乱的轨迹。
电子展示了粒子和波的特性——它们不仅仅像球一样滚动。它们的行为常常令人惊讶；在某些情况下，它们的波可以重叠，以指导它们的移动形成特定的模式。物理学家将这些共享路径称为“独特的闭合轨道”。
为了在韦拉斯科的实验室中实现这一点，需要先进的成像技术与对石墨烯中电子动力学的细致控制相结合。石墨烯是研究中常用的材料，由于其独特的特性和二维结构，使其成为研究量子行为的优秀介质。在他们的实验中，韦拉斯科的团队利用扫描隧道显微镜的尖锐探头，最初捕捉电子，然后在不物理干扰的情况下密切观察其在石墨烯表面上的运动。
根据韦拉斯科的说法，电子在限制区域内遵循闭合轨道的优势在于，这些亚原子粒子的特性在从一个点迁移到另一个点时可以保持更好的完整性。他解释说，这对日常生活中的电子学具有重要意义，因为信息以电子的特性编码，可以不失真地转移，这可能导致高效、低功耗的晶体管。
“这一发现最令人兴奋的前景之一是信息处理的潜力，”韦拉斯科指出。“通过稍微扰动或‘推搡’这些轨道，电子可以在设备间可预测地移动，从一个端点传输信息到另一个端点。”
量子伤痕留下印记
在物理学领域，这些独特的电子路径被称为“量子伤痕”。这一概念最早是在1984年哈佛大学物理学家埃里克·赫勒（Eric Heller）的一项理论研究中提出的，他通过计算机模拟展示了被限制的电子会在波干涉的加强下描绘出高密度轨道。
“量子伤痕不仅仅是一个奇特的现象；它是对不寻常的量子领域的一个窥探，”赫勒说，他也是该论文的共同作者。“伤痕表示围绕返回自身的轨道的局部化。在经典物理中，这些返回没有持久影响——它们很快从记忆中消失。然而，在量子领域中，它们永远铭记。”
随着赫勒的理论得到验证，研究人员有了一个坚实的基础来研究可能的应用。当前的晶体管，已经处于纳电子尺度，通过实现基于量子伤痕的设计，可能变得更加高效，从而改善依赖于紧密堆积的晶体管以提高处理能力的计算机、智能手机和平板电脑。
“在未来的工作中，我们的目标是扩展对量子伤痕的可视化，以设计控制和利用伤痕状态的技术，”韦拉斯科分享道。“利用混沌量子现象可能会导致在纳米尺度上选择性和可适应地传递电子的新方法——为新的量子控制形式铺平道路。”
经典混沌与量子混沌
韦拉斯科的团队使用一种被称为“台球”的可视模型来说明经典力学中线性系统和混沌系统之间的差异。台球是一个限制区域，揭示了内部粒子的运动，而物理学中经常分析的形状是“体育场”，它具有直边和圆形的端部。在经典混沌中，一个粒子将随机且不可预测地反弹，最终覆盖整个表面。
为了进行实验，团队在单原子厚的石墨烯上构建了一个体育场台球，长度大约为400纳米。使用扫描隧道显微镜，他们亲眼观察到了量子混沌：最终见证了在韦拉斯科实验室中创建的体育场台球内形成的电子轨道排列。
“我很高兴我们成功捕捉到了真实量子系统中量子伤痕的图像，”这项研究的第一作者、加州大学圣克鲁斯分校的研究生葛哲豪（Zhehao Ge）兴奋地说。“我希望这些发现能够加深我们对混沌量子系统的理解。”
