將量子限制在一維、二維或三維中運動，觀察到了許多神秘的現象！

2020-10-18 博科園

限制量子粒子在一維、二維或三維中運動，科學家觀察到了許多驚人的現象。一個最好的例子是：在強磁場中二維材料中測量的霍爾電導量子化。現在，超冷原子氣體為輕鬆控制量子系統的維度提供了一個強大平臺。然而，在這些裝置中測量電導性質是具有挑戰性的，並且尚未觀察到「冷原子量子霍爾效應」。現在發表在《物理評論X》期刊上的這項新研究，提出了實現這一目標的現實方案。

這項研究是由G.Salerno和N.Goldman進行，他們來自布魯塞爾自由大學的「複雜系統物理和統計力學」研究單位。這是建立在瑞士聯邦理工學院(ETH)在蘇黎世的實驗基礎上，那裡的研究人員觀察了原子沿一維導線傳輸。為了測量量子霍爾效應，必須以某種方式將這種設置擴展到二維，並包括外部磁場的影響。研究人員通過引入一種新型的電導測量來解決這個問題，它允許從一根一維導線開始研究真正的2-D效果。

關鍵思想是用額外的合成尺寸擴展1D通道，這是通過簡單地搖動通道來設計：除了沿著導線方向運動，原子還被驅動到更高的橫向振動狀態，從而模擬沿橫向晶格的運動。這種不平衡的方法不僅增加了原子線提供的可能性，而且為量子工程物質中的拓撲物理提供了一種特別有效的探針。本研究提出了一種在一維原子氣體輸運中直接測量霍爾電導量子化的方法，該方法建立在兩個主要成分上：(1)收縮光學勢，它產生連接到兩個儲存庫的介觀通道，以及(2)專門設計為產生沿附加合成維度運動的通道時間周期調製。

這個虛擬維度是由與緊限制通道相關的諧振子模式跨越，因此，相應的「晶格位置」與系統的能量密切相關。研究分析了這種混合二維系統的量子輸運性質，突出了合成維度提供吸引人的特徵。特別地，演示了合成維度的能量性質與周期性驅動通道的準能量譜相結合，能直接和明確地觀察雙庫幾何中的量子化霍爾效應。研究工作說明了如何在最小的一維中探索物質的拓撲屬性，並具有直接和實際的實驗結果。

博科園｜研究/來自：布魯塞爾自由大學

參考期刊《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.041001

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學哦

相關焦點

  • 從二維跨越到一維世界!二維材料打開了一維物理學的大門
    二維材料，是指電子僅可在兩個維度的納米尺度（1-100nm） [1] 上自由運動（平面運動）的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱。
  • 一維是線, 二維是面, 三維是體! 那麼第四維空間是什麼?
    我們先從最簡單的一維開始理解，試圖揭開多維空間的神秘面紗！ 我們一般認為，一個抽象的點是沒有維度的。而無數個點可以組成一條線，這就是一維空間。一條線總歸是一條，如果這條線可以無限疊加，那麼它就變成了一個面，這時候這條線就搖身一變成了二維空間。對於生活在一維空間的生物，它的活動空間極其的狹隘，只能在一條線上進行。
  • 新型晶體將電子限制在一維空間 可用於開發自旋電子器件
    原標題：新型晶體將電子限制在一維空間 可用於開發自旋電子器件 　　核心提示：只沿著拐角邊緣傳導自旋電流。
  • 一維二維三維都是空間，為什麼第四維會變成時間？
    ，刪去高度就成了二維，扇區長或者寬就成一維，最後刪去長度就成了零維，而三維往上增加一維就成了四維，似乎很簡單，但怎麼加，加在哪裡？當然這難不倒我們，我們從最簡單的思維開始往上理解：無數零維的點相加，就成了一維的線！無數一維的線相加，就成了二維的面！無數二維的面疊加，就成了三維立體！四維？？？？？？無數三維立體疊加，就成了四維超體！
  • 超聲科普 | 一維、二維、三維、四維,有啥區別?
    超聲科普 | 一維、二維、三維、四維，有啥區別？、二維、三維、四維超聲？一維超聲：觀測目標的測距定位，沒有器官的直觀成像圖，如西瓜距離的遠近。A超和M超圖像是一維。二維超聲：平面成像，是平面的照片，如西瓜的平面圖。B超和彩超圖像都是二維。三維超聲：立體成像，是立體的照片，如西瓜的立體圖。以B超的二維圖像為基礎。
  • 從二維到三維的關鍵一步:三維量子霍爾效應
    復旦大學物理系的研究團隊觀察到拓撲半金屬砷化鎘納米片中外層軌道形成的新三維量子霍爾效應的直接證據，並從二維向三維邁出了關鍵一步。然而，100多年來，科學家對量子霍爾效應的研究一直停留在二維系統中，從未涉足三維領域。早在130多年前，美國物理學家霍爾就發現，通過向通電導體施加垂直於電流方向的磁場，電子的軌跡會偏轉，從而在導體的縱向產生電壓。這種電磁現象被稱為「霍爾效應」。
  • 高維生物能觀察低維生物,但人類卻找不到二維物種,這又是為何?
    自從弦理論興起以後，開始有越來越多的人關注更高維度的宇宙，正如科幻電影中所描繪，人類只不過是三維世界的普通物種，在我們之上還存在著11個維度，特別是那神秘的四維空間，能夠掌握對時間，人類在它們面前沒有任何秘密。
  • 秒懂一維、二維、三維空間,原來那麼簡單
    一維空間指的就是一度空間，可以比如是直線的意思，你可以想像如果我們生活在一度空間，那我們就好像生活在一條直線上，我們的人生永遠只有前進跟後退，我們是不會有左右的觀念。一維空間的生命體完全無法體會什麼叫做左右，沒有面積的概念，它只有直線的概念。那麼二維空間是什麼呢？二維空間指的就是X，Y軸所構成的一個平面，這個平面上我們可以前進後退向左向右，我們有了面積的概念。
  • 在宇宙時空中到底有多少個維度?專家:最多可達26個維度
    我們所看到的世界，是由長、寬、高組成的三維空間，加入時間之後，就變成了四維，愛因斯坦告訴我們說，一維的時間和三維的空間組成不可分割的時空整體，而宇宙的時空是彎曲的。四維空間我們都可以理解，但是時空彎曲使我們的想像力受到挑戰，這並不是能直接觀察出來的。
  • 為什麼我們的真實空間既不是二維的也不是四維的?
    難怪在許多關於航天的科幻小說中，我們經常可以看到「超空間」、「隱藏空間」和「特殊空間」這樣的術語。有人將這部小說中的「隱空間」和「特殊空間」解讀為人類一直在追求的四維空間。許多奇妙的現象將隨著第四維度的出現而出現。眾所周知，我們生活在三維空間中。它有三個維度，或者三個獨立的度量:長度、寬度和高度。為什麼實空間不是四維空間或二維空間?如果有一個四維空間會怎樣?
  • 人類才是宇宙中最低維的生物,一維生物和二維生物根本就不存在
    很多人在討論多維空間的時候，往往將人類所處的三維空間（PS：嚴格來講，現實世界是四維空間，因為加上了時間，也可以稱作四維時空）擺在中間，把一維空間和二維空間放在前面，把四維與五維空間或更高維度放在後面（因為時間維度對所有時空是同樣的，所以這裡談論空間維度的變化）。
  • 動畫《姜子牙》可以說是:一維故事,二維動畫,三維電影
    #國產動畫#題記：《姜子牙》的核心製作團隊比較新銳，導演程騰也是赴美學習工作、而後歸國創業的，整體來看，《姜子牙》必將是「一維故事、二維動畫、三維電影」的一次聚合呈現。《姜子牙》預告片劇照1首先是一維故事，因為受到西方故事導演的直接影響，故事是相對簡單的，即圍繞一個Slogan——「天下是天下人的天下」來講一個「逆天救人」的故事。
  • 上海交大光量子晶片實現二維空間的連續量子行走,中國光量子計算或將成為量子霸權強力候選者
    正是這種目前世界最大規模的光量子計算晶片，使得真正空間二維自由演化的量子行走得以在實驗中首次實現，並將促進未來更多以量子行走為內核的量子算法的實現。在光量子計算領域，中國不需要喊彎道超車這個爛梗，而是早已經把競爭者遠遠拋在腦後。
  • 二維金量子點:有望應用於量子計算和新一代電子器件!
    然而，石墨烯的發現也激起了人們對二維材料的研究熱情。二維材料，是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度上自由運動的材料，例如納米薄膜、超晶格、量子阱等。除石墨烯外，二維材料還包括六方氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等。如今，大多數電子設備內的電晶體與其他元件都是由矽等三維材料製成。
  • 從一維到五維空間
    如何升級到二維呢？很簡單，再畫一條線，穿過原先的這條線，於是就有了二維空間，二維空間裡的物體有寬度和長度，但是沒有深度。在紙上畫一個長方形，長方形內部就是一個二維空間。三維空間一維數軸，二維平面，三維立體
  • 發現違反熱力學的量子現象：熱量不會從高溫量子，傳到低溫量子！
    到目前為止，只觀察到了單個量子物體的動態局域化，這使得它無法幫助確定發生轉換的位置。為了探索這個問題，聯合量子研究所的研究團隊研究了數學模型，看看當許多量子粒子相互作用時，是否仍然會出現動態局域化。一種普遍的預期是，額外的相互作用將破壞限制能量增加的量子平衡，從而允許正常加熱。研究發現了一個一維系統，在這個系統中，預期可能不會成立。
  • 科學探索低維量子系統新突破,低維系統中的遷移邊緣
    解決這個棘手的無序問題的一種方法是研究沒有自然缺陷的人造材料中的相同類型的物理現象。近幾十年來，研究人員使用中性原子在雷射形成的原始晶體中移動，進行量子模擬，觀察在真實電子材料中難以看到的物理效應。現在，伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校的科學家使用創新的量子模擬技術，首次觀察了低維系統中的遷移邊緣。
  • 三維量子霍爾效應 什麼是三維量子霍爾效應 詳解
    但一百多年來，科學家們對量子霍爾效應的研究仍停留於二維體系，從未涉足三維領域。如果將電子限制在二維平面內，在強大的磁場作用下，電子的運動可以在導體邊緣做一維運動，變得「講規則」「守秩序」。　　但以往的實驗證明，量子霍爾效應只會在二維或者準二維體系中發生。「比如說這間屋子，除了上表面、下表面，中間還存在一個空間。」修發賢用手上下比劃著。
  • 科研人員實現三維手性拓撲絕緣體的量子模擬
    最近，北京大學量子材料科學中心劉雄軍組和中國科學技術大學杜江峰及王亞組利用量子淬火動力學模擬了凝聚態體系中難以實現的三維手性拓撲絕緣體，並第一次對體內和表面的拓撲物理進行了全面的量子模擬研究。儘管如此，在理論預言的眾多拓撲物態中，目前仍只有很小的一部分在凝聚態實驗中被觀察到。量子模擬作為一種前沿的技術，可以超越真實體系所受的限制，為探索和研究各種奇異的量子物相提供了一種強有力的手段。
  • 一維到十一維空間圖解 二維空間是一維空間的延展
    人類所生存的空間幾乎都是三維空間，如果加上自己人生的時間軸，可以湊成一個四維空間，但是一旦人類進入了更高等維度的空間，那麼感受應該是十分奇妙。科學家們把所有的維度共分為一維到十一維，每一維度都對應著不同的生活狀態，不同的認識和感知。