近藤状态下单电子活动特征揭开

2011-7-04 09:34 来源: 中国科学院
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  据美国科学促进会网站报道,6月30日发表在《自然》杂志上的一项研究成果,揭示了近藤效应状态下单个电子是如何与其周围环境产生纠缠态的,这为研究近藤效应提供了全新视角。此重大发现不仅有助于解决长期困扰理论物理学家们的难题,还能帮助科学家们在尽可能小的空间内存储信息。这将开辟出运算能量的一个广阔新领域,推动量子计算机的发展。

  近藤效应是日本科学家近藤淳首次发现的物理现象。按照通常的电阻理论,稀固溶体的电阻应随温度下降而单调下降,最后趋于由杂质散射决定的剩余电阻。但是自从1930年以来,科学家在实验中发现,某些掺有磁性杂质原子的非磁性金属的电阻温度曲线在低温下出现了一个极小值。1964年,近藤淳指出,电阻极小值的出现,是与杂质原子局域磁矩的存在相联系的。他证明,在一定条件下,由自旋倒向交换散射引起的电阻率随温度下降而变大,而电子—声子相互作用引起的电阻率随温度下降而变小,所以稀磁合金的总电阻在低温下会出现电阻极小值。

  近藤效应是电子与其周围电子发生非常复杂的纠缠引起的,目前的研究方法只能测量到近藤状态,无法获知电子是如何与其周围环境发生纠缠的。由来自美国、德国和瑞士科学家组成的研究团队利用激光散射技术探测到近藤状态下的电子活动。根据激光散射过的电子不同状态,他们推测出,电子能通过吸收不同颜色的激光来改变温度,反射回来的激光能够携带量子纠缠态的特征,从而可以观察到电子与其周围环境之间的关系。

  科研人员利用纳米结构的设备将电子捕捉在小凹槽里,从而将单个电子分离出来。但是凹槽中的电子只能保持有限的隔离,最终还是会跟周围的大量电子纠缠在一起。由于纠缠态的特殊性质,这一发现将对找到新的信息存储和处理方法、有效应对计算过程的不稳定性打开方便之门,推动量子计算机的发展。

  该项目首席研究员、普林斯顿大学电子工程助理教授哈坎·图雷赛说:“目前的计算机使用晶体管来存储信息,未来能够将处于纠缠态的捕获电子作为量子计算的基础信息单元‘量子位’。量子位能够存储更多的信息,理论上量子计算机比晶体管机器体积更小、运算速度更快。”