Квантовий хаос, який раніше був теоретичним, спостерігався експериментально, підтверджуючи теорію 40-річної давнини про те, що електрони утворюють структури в обмеженому просторі. Використовуючи передові методи візуалізації на графені, дослідники підтвердили «квантові шрами», коли електрони слідують унікальним замкнутим орбітам. Ці знахідки можуть революціонізувати електроніку, створивши ефективні малопотужні транзистори та проклавши шлях для нових методів квантового керування. Це відкриття дає змогу зрозуміти хаотичні квантові системи, долаючи прірву між класичною та квантовою фізикою.
Патерни хаосу, виявлені у квантовому просторі
Де з хаосу можуть виникнути закономірності? Відповідь на це запитання в неймовірно крихітній квантовій царині отримала міжнародна дослідницька група під керівництвом фізика Каліфорнійського університету в Санта-Крузі Хайро Веласко-молодшого. У дослідженні, опублікованому 27 листопада в Nature, дослідники підтвердили теорію 40-річної давнини, яка припускає, що електрони, обмежені квантовими просторами, слідують передбачуваними шляхами, а не створюють випадкову плутанину траєкторій.
Електрони унікальні, тому що вони виявляють властивості частинок і хвилі. На відміну від м’яча, який котиться передбачувано, їх поведінка часто суперечить інтуїції. За певних умов хвилеподібна природа електронів може викликати перешкоди, зосереджуючи їхній рух у чітких моделях. Фізики називають ці загальні шляхи «унікальними замкнутими орбітами».
Передові методи візуалізації у квантових дослідженнях
Досягнення цього в лабораторії Веласко вимагало складної комбінації передових методів візуалізації та точного контролю над поведінкою електронів у графені, матеріалі, який широко використовується в дослідженнях, оскільки його унікальні властивості та двовимірна структура роблять його ідеальним для спостереження квантових ефектів. У своєму експерименті команда Веласко використала тонкий зонд скануючого тунельного мікроскопа, щоб спочатку створити пастку для електронів, а потім наблизитися до поверхні графену, щоб виявити рух електронів, не заважаючи їм фізично.
За словами Веласко, користь від електронів, що рухаються по замкнутих орбітах у обмеженому просторі, полягає в тому, що властивість субатомної частинки буде краще збережена під час її руху від однієї точки до іншої. Він сказав, що це має величезні наслідки для повсякденної електроніки, пояснюючи, як інформація, закодована у властивостях електрона, може бути передана без втрат, що, ймовірно, призведе до створення малопотужних високоефективних транзисторів.
«Одним із найбільш багатообіцяючих аспектів цього відкриття є його потенційне використання в обробці інформації», — сказав Веласко. «Злегка порушивши або «підштовхнувши» ці орбіти, електрони могли передбачувано подорожувати через пристрій, переносячи інформацію від одного кінця до іншого».
Квантові шрами залишають свій слід
У фізиці ці унікальні орбіти електронів відомі як «квантові шрами». Це вперше було пояснено в теоретичному дослідженні 1984 року фізиком Гарвардського університету Еріком Хеллером, який використав комп’ютерне моделювання, щоб виявити, що обмежені електрони рухатимуться по орбітах високої щільності, якщо їх підсилюватимуть їхні хвильові рухи, що заважають один одному.
«Квантові рубці — це не диво. Але скоріше це вікно в дивний квантовий світ», — сказав Хеллер, який також є співавтором статті. «Рубці — це локалізація навколо орбіт, які повертаються самі собою. Ці повернення не мають довгострокових наслідків у нашому нормальному класичному світі — про них швидко забувають. Але вони назавжди запам’ятовуються у квантовому світі».
Використання квантового хаосу
Завдяки підтвердженню теорії Геллера дослідники тепер мають емпіричну базу, необхідну для вивчення потенційних застосувань. Сучасні транзистори, уже в наноелектронному масштабі, можуть стати ще ефективнішими, якщо включити конструкції на основі квантових рубців, покращивши такі пристрої, як комп’ютери, смартфони та планшети, які покладаються на щільно упаковані транзистори для підвищення обчислювальної потужності.
«Для майбутніх досліджень ми плануємо спиратися на нашу візуалізацію квантових шрамів, щоб розробити методи використання та маніпулювання рубцевими станами», — сказав Веласко. «Використання хаотичних квантових явищ могло б уможливити нові методи селективної та гнучкої доставки електронів на нанорозмірі — отже, інноваційні способи квантового контролю».
Класичний хаос проти квантового хаосу
Команда Веласко використовує візуальну модель, яку часто називають «більярдом», щоб проілюструвати класичну механіку лінійних і хаотичних систем. Більярд — це обмежена область, яка показує, як рухаються частинки всередині, і звичайна форма, яка використовується у фізиці, називається «стадіон», де кінці зігнуті, а краї прямі. У класичному хаосі частинка випадково і непередбачувано підстрибує, врешті-решт покриваючи всю поверхню.
У цьому експерименті команда створила стадіонний більярд на тонкому з атом графену довжиною приблизно 400 нанометрів. Потім за допомогою скануючого тунельного мікроскопа вони змогли спостерігати квантовий хаос у дії: нарешті своїми очима побачили схему орбіт електронів на стадіонному більярді, який вони створили в лабораторії Веласко.
«Я дуже радий, що ми успішно зобразили квантові шрами в реальній квантовій системі», — сказав перший і співавтор Чжехао Ге, аспірант Каліфорнійського університету в Санта-Крус на момент завершення цього дослідження. «Сподіваюся, ці дослідження допоможуть нам отримати глибше розуміння хаотичних квантових систем».