超纯砷化镓电子态遵守量子力学法则

2011-7-31 00:02 来源: 中国科学院
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  据美国每日科学网站7月27日报道,美国科学家成功制造出了超纯的砷化镓,并让其呈现出某种特殊的状态,在这种状态下,电子不再遵守单粒子的物理学法则而被它们之间的相互作用(由量子力学法则来解释)所掌控,这种超纯材料和状态都有望用于高速量子计算机的研究中。

  量子计算机使用电子的量子力学行为来存储和处理信息,与传统计算机相比,其功能更强大、效率更高。这需要让电子处于一种相互关联的状态中,一个电子上的变化立刻会由其他电子反应出来。如果科学家能控制这些过程,就能使用它来制造并行处理以执行经典计算机无法完成的计算。

  美国普渡大学的物理学副教授迈克尔·芒弗拉指出,要想捕捉到显微镜内的电子并迫使它们仅仅相互作用,要求材料必须非常纯净,任何杂质都可能导致电子散射并破坏这个脆弱的关联状态。同时,科学家们也必须将电子冷却到相当低的温度并施加磁场来让其达到这种关联状态。

  芒弗拉领导的团队设计和制造出了一个名为高流动性砷化镓分子束外延(MBE)系统的装置,这个设备制造出的超纯砷化镓半导体的精确性能达到原子层级,是一种由镓原子和砷原子组成的完美对齐的晶格,能捕捉二维平面的电子,让电子无法上下移动,限制其前后和左右运动的能力。

  该研究的参与者、物理学副教授嘉宝·凯西使用实验室的特殊设备将这种材料和电子冷却到了5毫开尔文(接近绝对零度)。凯西解释道:“在室温下,电子就像台球会相互撞击,遵守经典力学法则。而随着温度不断降低,电子会平静下来并意识到临近电子的出现。接着,电子们可能就会集体行动,而这种集体行为则遵守量子力学法则。”他说,电子们进行着一种复杂的“舞蹈”,它们都试图呈现最好的排列方式,让其达到最低能级状态并最终形成新的模式或基态。

  芒弗拉指出:“这些奇异状态超出了固体物理学的标准模型,我们对此也知之甚少。大多数标准材料并不存在这些状态,其仅仅出现在超纯砷化镓半导体晶体特定的状态下,最新研究为我们理解基础物理学提供了新的视野。”

  芒弗拉说:“如果我们能利用半导体内的这种电子行为,也不失为一种可行的建立量子计算机的方法。当然,这项工作还处于初期阶段,我们仍有很长的路要走。不过,最新研究让我们首次有机会管窥没有被理解的物理现象和新粒子。”