Chaos kwantowy, wcześniej teoretyczny, zaobserwowano eksperymentalnie, potwierdzając 40-letnią teorię o elektronach tworzących wzory w zamkniętych przestrzeniach.
Korzystanie z zaawansowanych technik obrazowania na[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>graphene, researchers confirmed “quantum scars,” where electrons follow unique closed orbits. These findings could revolutionize electronics by enabling efficient, low-power transistors and paving the way for novel quantum control methods. This discovery offers insights into chaotic quantum systems, bridging a gap between classical and quantum physics.
Patterns in Chaos Revealed in Quantum Space
Where can patterns emerge from chaos? This question has been answered in the incredibly tiny quantum realm by an international research team co-led by UC Santa Cruz physicist Jairo Velasco, Jr. In a study published on November 27 in Nature, the researchers confirmed a 40-year-old theory suggesting that electrons confined within quantum spaces follow predictable paths rather than creating a random jumble of trajectories.
Electrons are unique because they exhibit both particle and wave-like properties. Unlike a ball rolling predictably, their behavior is often counterintuitive. Under specific conditions, the wave-like nature of electrons can cause interference, concentrating their movement into distinct patterns. Physicists refer to these common paths as “unique closed orbits.”
Advanced Imaging Techniques in Quantum Research
Achieving this in Velasco’s lab required an intricate combination of advanced imaging techniques and precise control over electron behavior within graphene, a material widely used in research because its unique properties and two-dimensional structure make it ideal for observing quantum effects. In their experiment, Velasco’s team utilized the finely tipped probe of a scanning tunneling microscope to first create a trap for electrons, and then hover close to a graphene surface to detect electron movements without physically disturbing them.
The benefit of electrons following closed orbits within a confined space is that the subatomic particle’s property would be better preserved as it moves from one point to another, according to Velasco. He said this has vast implications for everyday electronics, explaining how information encoded in an electron’s properties could be transferred without loss, conceivably resulting in lower-power, highly efficient transistors.
“One of the most promising aspects of this discovery is its potential use in information processing,” Velasco said. “By slightly disturbing, or ‘nudging’ these orbits, electrons could travel predictably across a device, carrying information from one end to the other.”
Numeryczna symulacja dynamiki kwantowej przeprowadzona w eksperymencie zespołu. Źródło: Anton Graf, Uniwersytet Harvarda
Blizny kwantowe pozostawiają ślad
W fizyce te unikalne orbity elektronów nazywane są „bliznami kwantowymi”. Po raz pierwszy zostało to wyjaśnione w teoretycznym badaniu przeprowadzonym w 1984 roku przez fizyka z Uniwersytetu Harvarda, Erica Hellera, który wykorzystał symulacje komputerowe do wykrycia, że uwięzione elektrony będą poruszać się po orbitach o dużej gęstości, jeśli będą wzmocnione przez ich ruchy fal, które wzajemnie się zakłócają.
„Blizny kwantowe nie są ciekawostką. Ale raczej jest to okno na dziwny świat kwantowy” – powiedział Heller, także współautor artykułu. „Blizny to lokalizacja wokół orbit, które wracają na siebie. Te powroty nie mają długoterminowych konsekwencji w naszym normalnym, klasycznym świecie – szybko zostają zapomniane. Ale w świecie kwantowym zostają zapamiętani na zawsze.”
Wykorzystanie chaosu kwantowego
Po udowodnieniu teorii Hellera badacze mają teraz podstawy empiryczne potrzebne do zbadania potencjalnych zastosowań. Dzisiejsze tranzystory, już w skali nanoelektronicznej, mogłyby stać się jeszcze bardziej wydajne dzięki zastosowaniu konstrukcji opartych na bliznach kwantowych, co ulepszyłoby urządzenia takie jak komputery, smartfony i tablety, które w celu zwiększenia mocy obliczeniowej wykorzystują gęsto upakowane tranzystory.
„W przyszłych badaniach planujemy wykorzystać naszą wizualizację blizn kwantowych, aby opracować metody ujarzmiania stanów blizn i manipulowania nimi” – powiedział Velasco. „Wykorzystanie chaotycznych zjawisk kwantowych mogłoby umożliwić opracowanie nowatorskich metod selektywnego i elastycznego dostarczania elektronów w nanoskali, co umożliwiłoby wprowadzenie innowacyjnych sposobów kontroli kwantowej”.
Chaos klasyczny kontra chaos kwantowy
Zespół Velasco wykorzystuje model wizualny często nazywany „bilardem”, aby zilustrować klasyczną mechanikę systemów liniowych i chaotycznych. Bilard to ograniczony obszar, który pokazuje, jak poruszają się wewnątrz cząstki, a powszechny kształt używany w fizyce nazywany jest „stadionem”, którego końce są zakrzywione, a krawędzie proste. W klasycznym chaosie cząstka odbijałaby się losowo i nieprzewidywalnie, ostatecznie pokrywając całą powierzchnię.
W ramach tego eksperymentu zespół stworzył stadionowy bilard z cienkiego jak atom grafenu, którego długość wynosiła około 400 nanometrów. Następnie za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego mogli obserwować chaos kwantowy w akcji: wreszcie na własne oczy zobaczyli wzór orbit elektronów na stadionowym bilardzie, który stworzyli w laboratorium Velasco.
„Jestem bardzo podekscytowany, że udało nam się zobrazować blizny kwantowe w prawdziwym układzie kwantowym” – powiedział pierwszy autor i współautor Zhehao Ge, absolwent Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz w momencie zakończenia tego badania. „Mamy nadzieję, że badania te pomogą nam lepiej zrozumieć chaotyczne układy kwantowe”.
Odniesienie: „Bezpośrednia wizualizacja relatywistycznych blizn kwantowych w grafenowych kropkach kwantowych” autorstwa Zhehao Ge, Antona M. Grafa, Joonasa Keski-Rahkonena, Sergeya Slizovskiya, Petera Polizogopoulosa, Takashiego Taniguchi, Kenji Watanabe, Ryana Van Harena, Davida Ledermana, Vladimira I. Fal’ko, Eric J. Heller i Jairo Velasco Jr, 27 listopada 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08190-6
Inni współautorzy artykułu to Peter Polizogopoulos, Ryan Van Haren i David Lederman z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz; Anton Graf i Joonas Keski-Rahkonen z Harvardu; Siergiej Ślizowski i Władimir Falko na Uniwersytecie w Manchesterze; oraz Takashi Taniguchi i Kenji Watanabe z Japońskiego Narodowego Instytutu Nauki o Materiałach.
