Ученые из Калифорнии, Массачусетса, Англии и Японии использовали микроточки углеродного графена для непосредственного наблюдения давно теоретизированного явления, называемого квантовым шрамом. Захватывая электроны определенным образом, физики, по-видимому, могут наблюдать, как они движутся, а затем видеть, что это движение продолжается предсказуемым образом. Эти предсказуемые орбиты известны как шрамы, и они функционируют аналогично тому, как люди в парке или на территории колледжа протаптывают свои собственные дорожки в траве, ходя одним и тем же путем каждый день. Квантовый шрам — это собственный путь желания электрона.
В пресс-релизе соавтор Эрик Хеллер из Гарвардского университета описывает квантовое рубцевание как «окно в странный квантовый мир». Электроны являются своеобразными, даже среди суб атомной толпы, — возможно, особенно потому, что они ведут себя хаотично, поскольку (как и фотоны) демонстрируют корпус кулярно-волновой дуализм.
Имея это в виду, ученые заинтригованы идеей явлений, которые могли бы загнать электроны в более предсказуемые модели поведения. Даже внутри высококачественных проводящих материалов электроны часто ведут себя очень хаотично (в пословичном смысле) и не перемещаются по эффективным траекториям — за исключением случаев, когда это самый быстрый путь через твердый материал. В квантовом наномасштабе, при построении квантовых компьютеров и других микроструктур, предназначенных для точности, эти макро-методы твердого вещества просто не будут работать.
Именно Хеллер изначально ввел термин «рубцевание» в 1984 году, чтобы описать, как поведение электрона может создать область с более высокой плотностью вероятности и заставить тот же электрон продолжать следовать по этому пути снова и снова. Теперь группа, включающая Хеллера и одиннадцать других ученых, использовала новую технологию управления частицами , чтобы впервые ограничить и непосредственно наблюдать это рубцевание in situ.
Для этого они сузили свои исследования до дираковских электронов, которые каким-то образом действуют даже легче обычных. Эти электроны оказываются полезными в квантовых исследованиях из-за их очень свободного и энергичного движения — что может быть легче обнаружить теперь, когда ученые всматриваются в эти эксперименты с помощью мощных наблюдательных инструментов, таких как электронные микроскопы .
На этот раз ученые поместили квантовые точки графена в контролируемую среду. Эти точки графена представляют собой наноматериалы, созданные путем размещения одного слоя графена, который, как и алмазы или графит в карандашах, является другим форматом обычных старых атомов углерода. Полученные точки ведут себя как твердые материалы или молекулы в некотором роде, но обладают новыми свойствами, которые ученые продолжают изучать в новых исследованиях.
Материал имел форму стадиона, и когда ученые значительно увеличили масштаб и зависли над поверхностью «стадиона», они увидели призрачное изображение электрона, повторяющего форму восьмерки. Это называется лемниската, от латинского слова «ленточный бант». Результат более предсказуем, чем у любого свободно вращающегося электрона, с меньшей потерей энергии .
Частицы часто демонстрируют странное или новое поведение в этом виде ограничения. Но прежде чем это поведение можно будет превратить в пригодные для использования технологии , ученые должны исследовать их границы, чтобы выяснить, какие конкретные параметры и ситуации приводят к такому поведению. В этом случае потребовалось сорок лет, чтобы лабораторное оборудование догнало идею Хеллера таким образом, чтобы он и его коллеги могли наблюдать это напрямую. Это кажется очень особенным моментом в его долгой карьере.
Прочитайте что такое взгляд в будущее