Wanneer een ballerina pirouettes maakt, een volledige revolutie ronddraaien, ze ziet er net zo uit als toen ze begon. Maar voor elektronen en andere subatomaire deeltjes, die de regels van de kwantumtheorie volgen, dat is niet noodzakelijk zo. Wanneer een elektron over een gesloten pad beweegt, eindigen waar het begon, zijn fysieke toestand kan al dan niet dezelfde zijn als toen hij wegging.

Nutsvoorzieningen, er is een manier om de uitkomst te controleren, dankzij een internationale onderzoeksgroep onder leiding van wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST). Het team heeft de eerste schakelaar ontwikkeld die dit mysterieuze kwantumgedrag in- en uitschakelt. De ontdekking belooft nieuw inzicht te geven in de fundamenten van de kwantumtheorie en kan leiden tot nieuwe kwantumelektronische apparaten.

Om deze kwantumeigenschap te bestuderen, NIST-natuurkundige en collega Joseph A. Stroscio en zijn collega's bestudeerden elektronen die in speciale banen in een nanometergebied van grafeen waren bijeengedreven - een ultrasterk, enkele laag dicht opeengepakte koolstofatomen. De gecorraleerde elektronen draaien om het midden van het grafeenmonster, net zoals elektronen om het midden van een atoom draaien. De in een baan om de aarde draaiende elektronen behouden normaal gesproken exact dezelfde fysieke eigenschappen nadat ze een compleet circuit in het grafeen hebben afgelegd. Maar wanneer een aangelegd magnetisch veld een kritische waarde bereikt, het werkt als een schakelaar, de vorm van de banen veranderen en ervoor zorgen dat de elektronen verschillende fysieke eigenschappen hebben na het voltooien van een volledig circuit.

De onderzoekers rapporteren hun bevindingen op 26 mei, 2017, probleem van Wetenschap .

De nieuw ontwikkelde kwantumschakelaar is gebaseerd op een geometrische eigenschap die de Berry-fase wordt genoemd, genoemd naar de Engelse natuurkundige Sir Michael Berry die in 1983 de theorie van dit kwantumfenomeen ontwikkelde. De Berry-fase wordt geassocieerd met de golffunctie van een deeltje, die in de kwantumtheorie de fysieke toestand van een deeltje beschrijft. De golffunctie - denk aan een oceaangolf - heeft zowel een amplitude (de hoogte van de golf) als een fase - de locatie van een piek of dal ten opzichte van het begin van de golfcyclus.

Wanneer een elektron een volledig circuit rond een gesloten lus maakt, zodat het terugkeert naar zijn oorspronkelijke locatie, de fase van zijn golffunctie kan verschuiven in plaats van terug te keren naar zijn oorspronkelijke waarde. Deze faseverschuiving, de Berry-fase, is een soort herinnering aan de reis van een kwantumsysteem en is niet afhankelijk van tijd, alleen op de geometrie van het systeem - de vorm van het pad. Bovendien, de verschuiving heeft waarneembare gevolgen in een breed scala van kwantumsystemen.

Hoewel de Berry-fase een puur kwantumfenomeen is, het heeft een analoog in niet-kwantumsystemen. Beschouw de beweging van een slinger van Foucault, die in de 19e eeuw werd gebruikt om de rotatie van de aarde aan te tonen. De hangende slinger zwaait eenvoudig heen en weer in hetzelfde verticale vlak, maar lijkt langzaam te roteren tijdens elke zwaai - een soort faseverschuiving - vanwege de rotatie van de aarde eronder.

Sinds het midden van de jaren tachtig is experimenten hebben aangetoond dat verschillende soorten kwantumsystemen een Berry-fase hebben. Maar tot de huidige studie, niemand had een schakelaar gemaakt die de Berry-fase naar believen kon in- en uitschakelen. De door het team ontwikkelde schakelaar, gecontroleerd door een kleine verandering in een aangelegd magnetisch veld, geeft elektronen een plotselinge en grote toename van energie.

Verschillende leden van het huidige onderzoeksteam - gevestigd aan het Massachusetts Institute of Technology en Harvard University - ontwikkelden de theorie voor de Berry-faseschakelaar.

Om de Berry-fase te bestuderen en de switch te maken, NIST-teamlid Fereshte Ghahari bouwde een hoogwaardig grafeenapparaat om de energieniveaus en de Berry-fase van elektronen die in het grafeen zijn bijeengedreven te bestuderen.

Eerst, het team beperkte de elektronen om bepaalde banen en energieniveaus in te nemen. Om de elektronen vast te houden, teamlid Daniel Walkup creëerde een kwantumversie van een elektrische afrastering door gebruik te maken van geïoniseerde onzuiverheden in de isolerende laag onder het grafeen. Dit maakte een scanning tunneling microscoop mogelijk bij NIST's nanotechnologie gebruikersfaciliteit, het Centrum voor Wetenschap en Technologie op nanoschaal, om de kwantumenergieniveaus en de Berry-fase van de opgesloten elektronen te onderzoeken.

Het team paste vervolgens een zwak magnetisch veld toe dat op de grafeenplaat werd gericht. Voor elektronen die met de klok mee bewegen, het magnetische veld werd strakker, compactere banen. Maar voor elektronen die in banen tegen de klok in bewegen, het magnetische veld had het tegenovergestelde effect, het trekken van de elektronen in bredere banen. Bij een kritische magnetische veldsterkte, het veld fungeerde als een Berry-faseschakelaar. Het verdraaide de banen van de elektronen tegen de klok in, waardoor de geladen deeltjes pirouettes met de klok mee uitvoeren nabij de grens van de elektrische afrastering.

Gewoonlijk, deze pirouettes zouden weinig gevolgen hebben. Echter, zegt teamlid Christopher Gutiérrez, "de elektronen in grafeen hebben een speciale Berry-fase, die wordt ingeschakeld wanneer deze magnetisch geïnduceerde pirouettes worden geactiveerd."

Wanneer de Berry-fase is ingeschakeld, in een baan om de aarde draaiende elektronen springen abrupt naar een hoger energieniveau. De kwantumschakelaar biedt een rijke wetenschappelijke gereedschapskist die wetenschappers zal helpen ideeën voor nieuwe kwantumapparaten te exploiteren, die geen analoog hebben in conventionele halfgeleidersystemen, zegt Stroscio.