最新Nature:量子疤痕可视化

一、【科学背景】

量子疤痕是指在混沌系统中，某些特定的量子态会表现出与经典混沌行为不同的特征。这些态就像是“疤痕”，它们在量子波函数中留下了独特的模式。在经典物理中，混沌系统的行为是非常复杂且不可预测的，但在量子力学中，某些量子态却能够在这些混沌背景中保持相对稳定。这种现象引起了科学家的广泛关注，因为它挑战了对量子和经典物理之间关系的理解。然而，直接观测量子疤痕是一个技术难题。

二、【创新成果】

近日，加利福尼亚大学葛哲浩及Jairo Velasco Jr成功地在石墨烯量子点中直接成像了量子疤痕，揭示了在不稳定的经典周期轨道上存在的增强概率密度模式。研究表明，这些模式与相对论量子疤痕的理论预测一致，并通过结合经典和量子模拟验证了它们的存在。这一发现不仅为量子疤痕的可视化提供了直接证据，还为理解量子与经典物理之间的关系以及未来研究其他类型的量子疤痕奠定了基础。相关成果以“Direct visualization of relativistic quantum scars in graphene quantum dots”为题发表在《Nature》上。

图1 原位制备体育场形GQD的STM表征 © 2024 Springer Nature Limited

图2 dI/dV_S图谱对V_G和V_S的依赖性分析 © 2024 Springer Nature Limited

图3 ∞形状和条纹状dI/dV_S模式的等能量间隔重复现象 © 2024 Springer Nature Limited

图4 体育场形GQD的经典和量子动力学模拟 © 2024 Springer Nature Limited

三、【科学启迪】

该研究提供了对量子疤痕的明确直接可视化，并为其他最近提出的量子疤痕成像铺平了道路。混沌石墨烯量子为模拟这一相对论粒子物理现象提供了一个可行的平台。此外，扰动引起的疤痕可以实现对电子在纳米尺度晶体管中的引导和操控，从而为利用混沌进行纳米电子设备的量子控制提供了一条新途径。最后，石墨烯由于其高内在迁移率而成为电子光学的理想材料。因此，GQD中的量子疤痕也可能用于类似于非可积光学腔中的微腔激光的定向发射。

原文信息：Ge, Z., Graf, A.M., Keski-Rahkonen, J. et al. Direct visualization of relativistic quantum scars in graphene quantum dots. Nature 635, 841–846 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08190-6