粒子表现出接近零的量子性质

时间：2021-07-08 08:52:10 来源：

密切注意一切：Christian Ast检查扫描隧道显微镜的连接（顶部）。纳米科学部的研究人员在比绝对零值高出千分之十五度的最低温度下，在该仪器中进行实验。原理总是相同的（底部）：隧道电流（由透明条表示）在超细尖端和样品之间流动，从而提供有关样品特性的信息。在如此低的温度下，隧穿电流揭示了其所有量子性质。

马克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）的一项最新发表的研究揭示了如果电流不再流动而是trick流，将会发生什么情况。

如果电流不再流动，而是trick流，会发生什么？这是马克斯·普朗克固态研究所的研究人员与克里斯蒂安·阿斯特（Christian Ast）合作研究的问题。他们的研究包括将扫描隧道显微镜冷却到比绝对零值高出百分之一千五百的温度。在这些极低的温度下，电子显示出其量子性质。因此，电流是由单个粒子组成的粒状介质。电子像沙漏中的沙粒一样流过导体，这种现象可以借助量子电动力学来解释。

从水龙头流出的水感觉就像是一种均质的介质–无法区分两种水分子。电流确实是同一回事。如此多的电子在常规电缆中流动，以至于电流看起来是均匀的。尽管不可能区分单个电子，但量子力学说它们应该存在。那么他们的表现如何呢？在什么条件下，电流不会像水一样流过水龙头，而是像沙漏般滴在沙漏中？

沙漏类比非常适合于扫描隧道显微镜，在这种显微镜中，细而尖的尖端可以在不接触样品的情况下扫描样品表面。尽管如此，仍然有微小的电流流动，这是因为电子极有可能从尖端转移到样品中。该隧穿电流是分离的指数函数，这就是为什么尖端仅位于样品上方几Ångström（十分之一毫米）的原因。

因此，隧道电流的微小变化使研究人员能够解析表面上的单个原子和原子结构，并研究其电子结构。因此，在整个固态物理学中，扫描隧道显微镜是最通用，最灵敏的探测器之一。

即使在这样的极端条件下（流过100瓦灯泡的电流不到十亿分之一的微小电流），每秒仍有数十亿电子流过。这太多了，无法分辨单个电子。在科学家看到电流由单个电子组成之前，温度下降到比绝°对零高出大约一千五百度（即，负273.135℃或15 mK）。

在这种低温下，光谱中会出现研究人员没有想到的非常精细的结构。“我们只能通过假设隧道电流是颗粒介质并且不再均匀来解释这些新结构，”负责扫描隧道显微镜的小组负责人Ast说。因此，这是首次证明扫描隧道显微镜中电子传输的全部量子性质。

因此，如果要完全解释该量子力学现象，则也必须量化电荷。“基于此的理论可以追溯到1990年代初。既然已经解决了与在隧道扫描显微镜中应用有关的概念和实践问题，很高兴看到理论和实验如何始终如一地融合在一起。”乌尔姆大学的Joachim Ankerhold说，他为这一理论奠定了基础。

除了详细的理论外，这种类型的实验还需要适应性强的实验室环境，以在很大程度上减少外部干扰。自2012年底以来，新的精密实验室已在斯图加特的马克斯·普朗克研究所的校园内投入运营；它为mK扫描隧道显微镜等高度敏感的实验提供了几乎无干扰的实验室环境。

该仪器位于精密实验室中的盒子中，盒子在振动解耦的混凝土基座上既具有隔音功能，又具有电磁屏蔽功能。马克斯·普朗克固体研究所的所长克劳斯·科恩说：“我们想用它来冒险进入未知的新领域，我们在这项实验中做得非常成功。”

电子已经证明了其量子性质。例如，当它们通过量子点传输时，电流会被特别阻止，从而使电子缓慢出现。然而，仅通过将其冷却至极低的温度，该效应在扫描隧道显微镜中就变得明显。团队成员BertholdJäck说：“隧道效应肯定已经达到了量子极限。”研究人员不想将其视为限制。“这些极低的温度带来了意想不到的丰富细节，使我们能够更好地理解超导性和光与物质的相互作用，” Christian Ast说。

出版物：Christian R. Ast等人，“在扫描隧道光谱中检测量子极限”，《自然通讯》第7期，文章编号：13009（2016）doi：10.1038 / ncomms13009

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