电子学依赖于带负电荷的电子运动，物理学家们努力理解推动这些粒子运动的力量，目的是在新技术中利用它们的力量。例如，量子计算机使用一组精确控制的电子来完成巨量计算任务。最近，冲绳理工大学研究生院(OIST)的研究人员演示了微波是如何影响电子运动。这些发现可能有助于未来的量子计算技术。普通计算机的逻辑操作是基于0和1，这种二进制代码限制了计算机可以处理的信息数量和类型。亚原子粒子可以以两种以上的离散状态存在，因此量子计算机利用电子来处理复杂的数据，并以极高的速度执行功能。
为了让电子在实验中处于不稳定状态，科学家们捕获了这些粒子，并将它们暴露在改变其行为的力量之下。在这项发表在《物理评论B》(Physical Review B)上的新研究中，OIST的研究人员将电子困在一个寒冷的真空密封的房间里，并将其置于微波下。这些粒子和光改变了彼此的运动并交换了能量，这表明这个密封的系统可能被用来存储量子信息——未来的微芯片。这是对一个项目的一小步，它需要更多的研究，为量子计算和存储量子信息创造出电子的新状态。
让电子旋转
光，由快速振荡的电场和磁场组成，可以推动它在环境中遇到的带电物质。如果光与电子以相同的频率振动，光和粒子就能交换能量和信息。当这种情况发生时，光和电子的运动是“耦合的”。如果能量交换比环境中其他光物质的相互作用发生得更快，那么这种运动就是“强耦合的”。在这里，科学家们开始利用微波来实现强耦合状态。实现强耦合是利用光对粒子进行量子力学控制的重要一步，如果我们想产生一些非经典的物质状态，这可能很重要。为了清晰地观察强耦合，它有助于将电子与环境中的误导性噪声隔离开来，这些噪声是在电子与附近的物质碰撞或与热相互作用时产生。
量子力学单元将二维电子层困在液氦中，并将其置于一个密封的腔内，冷却至接近绝对零度。在腔室内部，顶部的金属板和球面镜反射微波光(红色光束)，从而形成微波腔(谐振腔)。被捕获的微波与漂浮在液氦上的电子相互作用。图片：Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST
科学家们研究了微波在半导体与绝缘体接触的半导体界面中对电子的影响，从而将电子的运动限制在一个平面上，但是半导体中含有阻碍电子自然运动的杂质。没有一种材料是完全没有缺陷的，所以量子力学单元选择了另一种解决方案——将它们的电子隔离在装有两个反射微波的金属镜子冷真空密封的房间里。这些被称为“细胞”的圆柱形小容器中，每一个都有一个液氦池，液氦池的温度保持在接近绝对零度。在这种极端的温度下，氦仍然是液体，但是任何漂浮在物质内部的杂质都会结冰并附着在“细胞”的两侧。
电子与氦的表面结合，有效地形成了一个二维的薄片。然后，研究人员可以通过捕捉电池内两面镜子之间的光线，将等待的电子暴露在电磁辐射下，比如微波。这个相对简单的系统揭示了微波对电子旋转的影响，这种影响在半导体中是看不见的。论文作者、量子力学部门博士后学者奥列克西扎多洛日科(Oleksiy Zadorozhko)博士说：在我们的装置中，可以更清楚地确定物理现象的过程，发现微波对电子的运动有显著的影响。
启动量子计算
物理学家用数学方法描述了他们的发现，发现速度、位置或单个电子的总电荷的波动对强耦合效应影响很小。相反，粒子和微波的平均运动，总体上，似乎触发了它们之间的能量和信息交换。研究人员希望，在未来，液氦系统将使他们能够精确地控制电子，从而使他们能够像我们在硬盘上存储标准数据那样读写和处理量子信息。随着对这个系统理解的加深，量子动力学单元的目标是改进量子位元的工业标准——量子信息的位元。研究努力可能会促使更快、更强大的量子技术的发展！
博科园-科学科普｜研究/来自:冲绳科学技术研究所
参考期刊文献:《物理评论快报》,《物理评论B》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.046802
DOI: 10.1103/PhysRevB.98.235418
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