能实现奇特量子特性的开启和中止的磁性开关

美国国家标准及技术研究所的研究团队，开发出了第一个，可对贝里相位的量子特性实现开启和中止控制的开关。这一发现为对于量子理论基础的理解，提供了新的认知途径，并可能导致新的量子电子设备的出

现。

上图显示了石墨烯内被困在环形区域内电子的轨道路径图像，对于经典轨道而言(如上图上方的图案)，一个经过完全回路的电子与它开始时的物理状态是相同的。然而当施加的磁场达到一个特定值时(上图下方图案)，电子经过完全回路后，就出现了与初始时刻不同的物理状态。这一物理状态的变化，我们称之为贝里相位。这一变化中的磁场成为开启贝里相位的开关。从而导致电子升到更高的能量级。

当一个芭蕾皮鲁埃特旋转，经过一个完整的周期后，它最终状态将与它的起始状态看起来一模一样。但对于那些遵循量子理论的电子及其它亚原子粒子，那就不一定了。当绕闭合路径运行的电子，最后回到起始

点时，它的物理状态和起始状态既有可能相同，也有可能不同。

现在有一种方式来控制这一结果，这都要感谢由美国国家标准及技术研究所的科学家所领导的国际研究团队。该团队开发出了首个能对这一神秘量子特性进行控制的开关。这一发现不仅为对量子理论基础的认

识，提供了一种新方式，而且可能导致新的量子电子设备的产生。

为研究这一量子特性，美国国家标准及技术研究所(NIST)的物理学家及研究员，约瑟夫A.西脱斯奥，和他的同事研究了被畜拦在石墨烯(一种超级强韧，牢牢地结合在一起的单层碳原子)纳米尺度区域内特定轨道

上的电子。石墨烯样本的被畜拦的电子轨道中心，就象电子轨道的原子中心。在轨运行的电子通常，在石墨烯内运行完一个完整的回路后，保持着完全一样的物理特性。但当利用达到一特定值，起开关作用的磁

场作用后，轨道形状就发生改变，并且导致电子在经过一个完整运行周期后，出现了不同的物理特性。

研究人员在2017年5月26号那一期的《科学》杂志上报道了他们的发现。

新开发的量子开关依赖于称作贝里相位的几何特性。贝里相位是以英国物理学家，于1983年发展这一量子现象的理论的迈克尔.贝里爵士的名字命名。贝里相位是和粒子的波函数紧密相关，在量子理论中用于描述粒子物理状态。波函数，想象一下海波，有波幅(波浪的高度)和相位两个参数，而相位则是波浪循环中的起点与波峰或波谷的相对位置。

当电子围绕闭合环路完成一个完全回路时，它就会返回到它的初始位置。波函数的相位就有可能发生偏移，而不是返回初始值，这种相移，贝里相位，是一种量子系统的行进记忆，它不依靠时间，只依靠系统的几何形状--即路径形状。而且相移在许多量子系统内均可观测到。

尽管贝里相位只是一个量子现象，但在非量子系统中也可模拟。考虑到福柯钟摆的运动，在19世纪，常被用于演示地球的旋转。悬挂的钟摆仅仅在同一垂直平面内来回摆动，但在每一次摆动中，表现出缓慢的旋转--一种相移，由于位于下方的地球旋转所致。

从19世纪80年代中期，实验就表明贝里相位与几种类型的量子系统紧密相关。但直到当前的研究，没有人能创造一个开关，按照自己的意愿来对贝里相移进行开关控制。由该团队开发的开关，通过运用磁场的微小变化来进行控制，以使电子能级得到迅速的，巨大的提升。

该研究团队的几个成员--位于曼彻斯特技术研究所及哈佛大学--发展了贝里相位开关的理论。为研究贝里相移并建造开关，NIST的团队成员费勒施特.卡哈瑞制作了一个高质量的石墨烯设备，以用于研究能级及石墨烯内畜拦电子的贝里相位。

首先该研究团队，约束电子以达到一定能级轨道。为保持电子被稳稳地限定起来，团队成员丹尼尔.沃尔克普通过在石墨烯下方的绝缘层利用离子掺杂，创建了电子栅栏的量子版。这就使纳米科技中心，位于NIST的纳米技术用户的设备--隧道扫描显微镜，能够观测到量子能级及受限电子的贝里相位。

该研究团队，将弱磁场施加在石墨烯片上。对于顺时针旋转的电子(按磁力线方向)，磁场就产生了更紧密，更牢固的轨道。但对于按逆时针旋转的电子，磁场就产生了相反的效果，使电子轨道更宽松。到一个特定磁场强度，磁场就能起到贝里相位开关的作用。它扭转逆时针旋转电子的轨道，使带电粒子在电子栅栏附近按顺时针作皮鲁埃特旋转。

通常这些皮鲁埃特旋转不可见。然而该团队成员克瑞斯托弗.古铁雷斯说：“石墨烯内的电子有一个特定的贝里相位，当磁场引发的皮鲁埃特旋转触发后，该贝里相位就开启了。”

当贝里相位被打开，在轨运行的电子迅速跳到更高的能级。量子开关提供了一个，帮助科学家开发新型量子设备设想，而传统的半导体系统无法模拟的丰富工具箱，西脱斯奥说。

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