Квантовый хаос наконец-то расшифрован: достижение, которое может продвинуть электронику будущего

Некоторые тайны, окружающие теорию квантового хаоса, предложенную более 40 лет назад, наконец-то разгаданы. В ходе нового эксперимента физикам впервые удалось напрямую наблюдать за тем, как движутся электроны, заключенные в квантовом пространстве. Оказалось, что они следуют четким, структурированным моделям, а не совершенно случайным траекториям. По мнению исследователей, это открытие может принести пользу некоторым аспектам электроники, в частности, разработке маломощных и высокоэффективных транзисторов.

Классическая теория хаоса — это раздел физики, который описывает динамическое поведение, чувствительное к изменениям начальных условий, хотя и подчиняющееся детерминированным законам. События развиваются по непредсказуемым траекториям и кажутся случайными. В отличие от классического хаоса, квантовая механика накладывает ограничения на точность. Поэтому квантовая теория хаоса изучает, как классические хаотические системы проявляют себя в рамках квантовой механики, где частицы не следуют по определенным траекториям и уступают место волновым функциям. Впервые эта теория была предложена в 1970-х годах Майклом Берри и Марком Кацем.

Теперь, в новом исследовании, международная команда под руководством физика Хайро Веласко из Калифорнийского университета в Санта-Крузе непосредственно наблюдала эффекты квантового хаоса. Проведя серию экспериментов, исследователи подтвердили феномен «квантовых шрамов» - концепцию, предложенную в 1984 году физиком Эриком Хеллером, который также является соавтором исследования. Квантовые шрамы определяются как узоры из орбит электронов высокой плотности. Они образуются в результате интерференции электронных волн в ограниченных квантовых пространствах.

«Шрамы — это локализация вокруг орбит, которые возвращаются сами по себе. Эти возвращения не имеют долгосрочных последствий в нашем обычном классическом мире — они быстро забываются. Но в памяти квантового мира они выгравированы навсегда», — объясняет Хеллер в пресс-релизе. Основываясь на явлении квантовых шрамов, исследователи отметили, что электроны, вопреки тому, что считалось в хаотических системах, следуют не по случайным, а по орбитальным траекториям.

Они объяснили, что помимо свойств волны и частицы, электроны также демонстрируют контринтуитивное поведение. При определенных условиях их волнообразная природа создает интерференционные картины, которые, в свою очередь, формируют предсказуемые траектории.

Графен, материал с решающими свойствами

Для этого открытия команда применила графен — материал с двумерной структурой из одного слоя атомов углерода, идеально подходящий для изучения квантовых эффектов. Эти свойства делают его идеальным для изучения квантовых эффектов. В своей работе, опубликованной в журнале Nature, Веласко и его команда использовали сканирующий туннельный микроскоп, оснащенный тонким зондом. В ходе эксперимента они создали электронную ловушку, а затем расположили зонд микроскопа на поверхности графена, чтобы обнаружить движение электронов, не потревожив их.

Исследователи также использовали визуальную модель под названием «бильярдный стол», чтобы проиллюстрировать механику классических хаотических систем. В классической физике частица, заключенная внутри бильярдного стола в форме стадиона, беспорядочно движется, пока не покроет всю его поверхность. В этом эксперименте команда создала графеновый «стадион» длиной 400 нанометров. С помощью микроскопа они смогли наблюдать орбиты электронов, которые повторяли форму символа бесконечности (∞), как и предсказывала теория Геллера.

Этот эксперимент является первым, который позволил вживую наблюдать квантовые шрамы в реальной системе, и, таким образом, может проложить путь к разработке новых технологий обработки информации. «В наших будущих исследованиях мы планируем разработать инструменты для манипулирования и использования этих рубцовых состояний в конкретных приложениях», — говорит Веласко.