Forskere udvikler magnetisk switch til at tænde og slukke for en mærkelig kvantegenskab

Når en ballerina piruetter, snurrer en fuld revolution, hun ser ud som hun gjorde da hun startede. Men for elektroner og andre subatomære partikler, som følger kvanteteoriens regler, det er ikke nødvendigvis sådan. Når en elektron bevæger sig rundt i en lukket bane, ender der hvor det begyndte, dens fysiske tilstand er muligvis den samme som da den forlod.

Nu, der er en måde at kontrollere resultatet på, takket være en international forskergruppe ledet af forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST). Holdet har udviklet den første kontakt, der tænder og slukker for denne mystiske kvanteadfærd. Opdagelsen lover at give ny indsigt i kvanteteoriens grundlæggende principper og kan føre til nye kvanteelektroniske enheder.

For at studere denne kvanteegenskab, NIST-fysiker og kollega Joseph A. Stroscio og hans kolleger studerede elektroner, der er korreleret i specielle kredsløb inden for en nanometerstørrelse i grafen-et ultrasterkt, et enkelt lag tætpakte carbonatomer. De elektroner, der henvises til, kredser om midten af ​​grafenprøven, ligesom elektroner kredser om et atomets centrum. De kredsende elektroner bevarer normalt de samme nøjagtige fysiske egenskaber efter at have rejst et komplet kredsløb i grafen. Men når et anvendt magnetfelt når en kritisk værdi, det fungerer som en switch, ændre formen på banerne og få elektronerne til at besidde forskellige fysiske egenskaber efter at have gennemført et fuldt kredsløb.

Forskerne rapporterede deres fund i maj 26, 2017, spørgsmål af Videnskab .

Den nyudviklede kvantekontakt er afhængig af en geometrisk egenskab kaldet Berry -fasen, opkaldt efter den engelske fysiker Sir Michael Berry, der udviklede teorien om dette kvantefænomen i 1983. Berry -fasen er forbundet med en partikels bølgefunktion, som i kvanteteorien beskriver en partikels fysiske tilstand. Bølgefunktionen - tænk på en havbølge - har både en amplitude (bølgens højde) og en fase - placeringen af ​​en top eller et trug i forhold til starten af ​​bølgecyklussen.

Når en elektron laver et komplet kredsløb omkring en lukket sløjfe, så den vender tilbage til sin oprindelige placering, fasen af ​​dens bølgefunktion kan skifte i stedet for at vende tilbage til dens oprindelige værdi. Dette faseskift, bærfasen, er en slags hukommelse om et kvantesystems rejse og afhænger ikke af tid, kun på systemets geometri - stiens form. I øvrigt, skiftet har observerbare konsekvenser i en lang række kvantesystemer.

Selvom Berry-fasen er et rent kvantefænomen, den har en analog i ikke-kvantesystemer. Overvej bevægelsen af ​​et Foucault -pendul, som blev brugt til at demonstrere Jordens rotation i det 19. århundrede. Det ophængte pendul svinger simpelthen frem og tilbage i det samme lodrette plan, men ser ud til at rotere langsomt under hvert sving - en slags faseskift - på grund af jordens rotation under den.

Siden midten af ​​1980'erne har forsøg har vist, at flere typer kvantesystemer har en Berry -fase forbundet med dem. Men indtil den nuværende undersøgelse, ingen havde konstrueret en kontakt, der kunne tænde og slukke for Berry-fasen efter behag. Skiftet udviklet af teamet, styret af en lille ændring i et anvendt magnetfelt, giver elektroner en pludselig og stor stigning i energi.

Adskillige medlemmer af det nuværende forskerhold - baseret på Massachusetts Institute of Technology og Harvard University - udviklede teorien for Berry-faseomskifteren.

For at studere Berry -fasen og oprette kontakten, NIST-teammedlem Fereshte Ghahari byggede en grafen-enhed af høj kvalitet til at studere energiniveauerne og Berry-fasen af ​​elektroner, der er korreleret i grafen.

Først, holdet begrænsede elektronerne til at optage bestemte baner og energiniveauer. For at holde elektronerne skrevet ind, teammedlem Daniel Walkup skabte en kvanteversion af et elektrisk hegn ved hjælp af ioniserede urenheder i det isolerende lag under grafen. Dette muliggjorde et scanningstunnelmikroskop på NISTs nanoteknologibrugerfacilitet, Center for Nanoskala Videnskab og Teknologi, at undersøge kvanteenerginiveauerne og Berry-fasen af ​​de indesluttede elektroner.

Holdet påførte derefter et svagt magnetfelt rettet ind i grafenarket. For elektroner, der bevæger sig med uret, magnetfeltet skabt strammere, mere kompakte baner. Men for elektroner, der bevæger sig i kredsløb mod uret, magnetfeltet havde den modsatte virkning, trækker elektronerne ind i bredere kredsløb. Ved en kritisk magnetfeltstyrke, feltet fungerede som en Berry fase switch. Det drejede elektronernes kredsløb mod uret, får de ladede partikler til at udføre piruetter med uret nær grænsen til det elektriske hegn.

Normalt, disse piruetter ville have ringe konsekvens. Imidlertid, siger teammedlem Christopher Gutiérrez, "Elektronerne i grafen besidder en særlig bærfase, som tændes, når disse magnetisk inducerede piruetter udløses. "

Når Berry -fasen er aktiveret, kredsende elektroner springer brat til et højere energiniveau. Kvantekontakten giver en rig videnskabelig værktøjskasse, der vil hjælpe videnskabsmænd med at udnytte ideer til nye kvanteenheder, som ikke har nogen analog i konventionelle halvleder systemer, siger Stroscio.