預期的導電通道，其中電子可以流過兩個電子軌道方向相反的區域之間的邊界。（圖片來源：普林斯頓大學Ali Yazdani研究小組提供）
根據發表在《自然》（Nature）中的一項研究，普林斯頓大學的研究人員展示了一種在磁場中製造可控“量子線”的新方法。
研究人員發現了在強磁場作用下，鉍晶體表面的兩個量子態之間形成了電子通道。這兩種狀態下，電子沿橢圓軌道按兩種不同方向運行。
讓研究團隊驚奇的是，他們發現在這些通道中的電流可以被打開和關閉，使這些通道成為一種新型可控量子線。
“這些通道值得注意，因為它們在不同量子態（其中電子的橢圓軌道集體對齊）之間的邊界自發形成，” Ali Yazdani說。他是1909屆物理學教授（Class of 1909 Professor of Physics），也是普林斯頓複合材料中心(Princeton Center for Complex Materials)的主任，並且領導這項研究。“看到電子在通道中的相互作用強烈影響它們是否能被傳導十分激動人心。”
研究人員使用了一臺掃描隧道顯微鏡（一種能夠顯示在金屬表面的單個原子和電子活動的儀器）來觀察一塊由純鉍製成的晶體表面的電子活動。
有了這臺儀器，研究團隊能夠直接成像在比冰箱磁鐵強數千倍的磁場下的電子的運動。使用強磁場迫使電子沿橢圓軌道運行，而不是更典型的平行於電場方向流動。
研究小組發現，傳導通道形成於晶體中電子軌道突然改變方向的兩個區域之間的邊界處，他們稱該邊界為“谷極化域壁”（valley-polarized domain wall）。
物理系的畢業生Mallika Randeria進行了該實驗，她說：“我們發現電子流動存在雙通道和四通道，這取決於磁場強度的精確值。”她和同事們觀察到電子轉向四通道移動時會被卡住，但是在運動僅限於雙通道時電子可以暢通無阻地流動。
在嘗試解釋該現象的同時，研究人員發現了新的規律，通過這些規律，量子力學定律決定了在這些多通道量子線中存在電子斥力。雖然更多數量的軌道看上去似乎有更好的導電能力，但與直覺相反的是，電子斥力造成了電子更換軌道，改變方向，還有被“卡住”，導致了材料的絕緣。對於更少的軌道來說，電子不能更換軌道，只能傳輸電流，即使它們必須“穿過”彼此——這是一種只存在於像這樣的一維通道的量子現象。
類似的受保護傳導發生在被稱為物質拓撲狀態的邊界上，這是2016年被授予諾貝爾獎的普林斯頓大學的謝爾曼費爾柴爾德大學物理學教授 (Sherman Fairchild University Professor of Physics) F. Duncan Haldane的獲獎主題。新發現的理論解釋建立於團隊中兩名成員之前的研究基礎上。一位是Siddharth Parameswaran，他當時是普林斯頓大學的研究生，現在是牛津大學的物理學副教授。另一位是普林斯頓大學的物理學教授Shivaji Sondhi。
“雖然我們採用的一些理論思想已經存在一段時間了，但是它們如何相互結合來解釋真實的試驗現象還是一個挑戰，當這一切發生時真的讓人激動，” Parameswaran說，“這是一個理論和實驗如何協同合作的完美例子：沒有新的實驗數據，我們永遠不會回溯我們的理論，沒有新理論，理解實驗現象將會非常困難。”
這項研究由戈登和貝蒂·摩爾基金會（the Gordon and Betty Moore Foundation）、美國能源部基礎能源科學辦公室（the U.S. Department of Energy Office of Basic Energy Sciences）、英國基金會（the U.K. Foundation）和國家科學基金會（the National Science Foundation）資助。
翻譯：王嘉鈺
審校：胡佳儀
引進來源：普林斯頓大學
引進鏈接：https://www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190206131931.htm
"預期的導電通道，其中電子可以流過兩個電子軌道方向相反的區域之間的邊界。（圖片來源：普林斯頓大學Ali Yazdani研究小組提供）
根據發表在《自然》（Nature）中的一項研究，普林斯頓大學的研究人員展示了一種在磁場中製造可控“量子線”的新方法。
研究人員發現了在強磁場作用下，鉍晶體表面的兩個量子態之間形成了電子通道。這兩種狀態下，電子沿橢圓軌道按兩種不同方向運行。
讓研究團隊驚奇的是，他們發現在這些通道中的電流可以被打開和關閉，使這些通道成為一種新型可控量子線。
“這些通道值得注意，因為它們在不同量子態（其中電子的橢圓軌道集體對齊）之間的邊界自發形成，” Ali Yazdani說。他是1909屆物理學教授（Class of 1909 Professor of Physics），也是普林斯頓複合材料中心(Princeton Center for Complex Materials)的主任，並且領導這項研究。“看到電子在通道中的相互作用強烈影響它們是否能被傳導十分激動人心。”
研究人員使用了一臺掃描隧道顯微鏡（一種能夠顯示在金屬表面的單個原子和電子活動的儀器）來觀察一塊由純鉍製成的晶體表面的電子活動。
有了這臺儀器，研究團隊能夠直接成像在比冰箱磁鐵強數千倍的磁場下的電子的運動。使用強磁場迫使電子沿橢圓軌道運行，而不是更典型的平行於電場方向流動。
研究小組發現，傳導通道形成於晶體中電子軌道突然改變方向的兩個區域之間的邊界處，他們稱該邊界為“谷極化域壁”（valley-polarized domain wall）。
物理系的畢業生Mallika Randeria進行了該實驗，她說：“我們發現電子流動存在雙通道和四通道，這取決於磁場強度的精確值。”她和同事們觀察到電子轉向四通道移動時會被卡住，但是在運動僅限於雙通道時電子可以暢通無阻地流動。
在嘗試解釋該現象的同時，研究人員發現了新的規律，通過這些規律，量子力學定律決定了在這些多通道量子線中存在電子斥力。雖然更多數量的軌道看上去似乎有更好的導電能力，但與直覺相反的是，電子斥力造成了電子更換軌道，改變方向，還有被“卡住”，導致了材料的絕緣。對於更少的軌道來說，電子不能更換軌道，只能傳輸電流，即使它們必須“穿過”彼此——這是一種只存在於像這樣的一維通道的量子現象。
類似的受保護傳導發生在被稱為物質拓撲狀態的邊界上，這是2016年被授予諾貝爾獎的普林斯頓大學的謝爾曼費爾柴爾德大學物理學教授 (Sherman Fairchild University Professor of Physics) F. Duncan Haldane的獲獎主題。新發現的理論解釋建立於團隊中兩名成員之前的研究基礎上。一位是Siddharth Parameswaran，他當時是普林斯頓大學的研究生，現在是牛津大學的物理學副教授。另一位是普林斯頓大學的物理學教授Shivaji Sondhi。
“雖然我們採用的一些理論思想已經存在一段時間了，但是它們如何相互結合來解釋真實的試驗現象還是一個挑戰，當這一切發生時真的讓人激動，” Parameswaran說，“這是一個理論和實驗如何協同合作的完美例子：沒有新的實驗數據，我們永遠不會回溯我們的理論，沒有新理論，理解實驗現象將會非常困難。”
這項研究由戈登和貝蒂·摩爾基金會（the Gordon and Betty Moore Foundation）、美國能源部基礎能源科學辦公室（the U.S. Department of Energy Office of Basic Energy Sciences）、英國基金會（the U.K. Foundation）和國家科學基金會（the National Science Foundation）資助。
翻譯：王嘉鈺
審校：胡佳儀
引進來源：普林斯頓大學
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本文來自：環球科學
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