石墨烯实验证实量子领域混沌中的规律

来自美国加利福尼亚大学、哈佛大学、曼彻斯特大学、加州大学圣克鲁兹分校以及日本筑波国立材料科学研究所的研究人员开展了一项实验，该实验证实了一项有着 40 年历史的理论，即被限制在量子空间内的电子会沿着共同的路径运动，而非产生杂乱无章的轨迹阵列。

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引言

物理学实验证实奇特量子领域混沌中的规律

电子兼具粒子和波的特性，其行为方式往往有悖常理，在特定条件下，它们的波能够相互干涉，进而将其运动汇聚成特定的模式。物理学家将这些共同路径称为 “独特闭合轨道”。

物理学家小哈伊罗・贝拉斯科（Jairo Velasco, Jr.）在其实验室中，通过将先进成像技术与对石墨烯内电子行为的精确控制巧妙结合，实现了这一成果。石墨烯独特的性质及其二维结构使其成为观测量子效应的理想材料。在实验中，贝拉斯科的团队利用扫描隧道显微镜的精细探针，先是为电子打造了一个 “陷阱”，然后靠近石墨烯表面进行探测，在不干扰电子物理状态的情况下监测其运动情况。

贝拉斯科表示，电子在受限空间内沿闭合轨道运动的好处在于，当这个亚原子粒子从一点移动到另一点时，其特性能够得到更好的保留。他称这对日常电子设备有着重大影响，并解释了如何能让编码在电子特性中的信息实现无损传输，这有望催生出功耗更低、效率更高的晶体管。

贝拉斯科说：“这一发现最具前景的方面之一在于其在信息处理方面的潜在用途。通过稍微干扰或者说‘轻推’这些轨道，电子就能按可预测的方式穿过器件，将信息从一端传递到另一端。”

在物理学中，这些独特的电子轨道被称为 “量子疤痕”。这一概念最早是在 1984 年由哈佛大学物理学家埃里克・赫勒（Eric Heller）在一项理论研究中提出的，当时他通过计算机模拟揭示出，若受限电子的波动相互干涉得到加强，它们就会沿着高密度轨道运动。

身为该论文的共同作者之一，赫勒表示：“量子疤痕现象并非奇谈怪论，而是一扇通往奇妙量子世界的窗户。疤痕现象是围绕着自身闭合的轨道出现的局域化表现。在我们平常所处的经典世界中，这些闭合情况不会产生长期影响 —— 很快就会被遗忘，但在量子世界里，它们却会永远留存。”

随着赫勒的理论得到证实，研究人员如今有了探索潜在应用所需的实证基础。如今已经处于纳米电子尺度的晶体管，若融入基于量子疤痕的设计，有望变得更加高效，进而提升诸如计算机、智能手机和平板电脑等依靠密集晶体管来增强处理能力的设备性能。

贝拉斯科说：“在未来的研究中，我们计划基于对量子疤痕的可视化成果，开发出利用和操控疤痕态的方法。对混沌量子现象的利用能够催生出在纳米尺度上选择性且灵活地传输电子的新方法 —— 从而开创量子控制的新模式。”

贝拉斯科的团队运用了一种常被称为‘台球’的可视化模型，来阐释线性系统与混沌系统的经典力学原理。台球是一个有边界的区域，能够展现内部粒子的运动情况，物理学中常用的一种形状叫‘体育场形’，其两端是弧形，边缘是直线。在经典混沌状态下，一个粒子会随机且不可预测地四处反弹 —— 最终会覆盖整个表面。

在这项实验中，该团队在仅有原子厚度、长度约为 400 纳米的石墨烯上构建了一个‘体育场形台球’。然后，借助扫描隧道显微镜，他们得以观察到量子混沌的实际情况：最终亲眼目睹了在贝拉斯科实验室所构建的‘体育场形台球’内电子轨道的模式。

这项研究完成时还是加州大学圣克鲁兹分校研究生的葛哲浩（Zhehao Ge）是该论文的第一作者兼共同通讯作者，他表示：“我们成功对真实量子系统中的量子疤痕进行了成像，我感到非常兴奋。希望这些研究能够帮助我们更深入地理解混沌量子系统。”

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