量子科學家強迫電子打破歐姆定律

如果您看到人們走在街道上並來到路口，則很難預測他們會朝哪個方向行駛。但是，如果您看到人們坐在分開的船上，順著一條小溪漂流而下，並且溪流分成兩個通道，則很可能大多數人會沿著一個通道流動，該通道的流動性更強。

沖繩科技大學研究生院（OIST）量子動力學部門的科學家正在尋找類似的東西，但是他們的研究規模要小得多。他們正在進行實驗，以瞭解電子的運動如何受到流體的影響。這項研究發表在《物理評論快報》上。

負責該研究的康斯坦丁諾夫（Konstantinov）教授用一根金屬絲演示了這一概念。 “如果我們透過一根電線流過電流，那麼我們知道電子將從一端移動到另一端。如果我們將導線分成兩部分，一半的電子將向下流動，而另一半則將向下流動。”

這是由於物理學的歐姆定律，該定律規定電流與電壓成正比，與電阻成反比，因此，如果電阻在兩個通道之間平均分佈，則一半的電子將沿著每個通道下降。“但是，如果電子坐在液體上而不是固體上，它們可能會破壞歐姆定律。這就是我們想要衡量的。”如下圖所示，當電子坐在超流氦中時，它會被困在液體的凹坑中並形成雙極子。科學家想看看這是否會改變電子的行為。

該理論來自極化子（polaron）的概念，極化子是一種電子，它被其所位於的介質雲所“修飾”。這使其變得更重、更慢並且改變了其行為。以前，已經根據固體中的離子晶體討論了極化子，但液體中的極化子很少見。

研究人員使用了具有多種獨特性質的超流氦。例如，當任何其他液體凍結時，它在溫度降至絕對零時仍保持液態，其行為類似於粘度為零或沒有阻力的流體。電子將只能坐在頂部，而不能下沉。因此，它為研究人員提供了二維電子系統。

研究人員建立了一個以微米為單位的微型結構，該結構由一個T型接頭連線，形成了三個儲層，並將該結構略微浸入了超流體氦中，如下圖所示裂極結構圖，激波極化子繼續筆直，而不是在結處分裂，這將是電子的正常行為。

當電子移動並干擾液體時，它們會產生毛細波或波紋。在高電子密度下，電子被束縛在波的淺凹坑中。這些與傳統的極化子略有不同，因此研究人員稱其為漣漪極化子（ripplopolarons），其靈感是與水波紋相似。

康斯坦丁諾夫教授說：“歐姆定律規定，電子應在T結處分裂，但由於動量守恆，流體的流動應繼續沿直線前進。我們的理論認為，雙極子-被俘獲的電子-會破壞歐姆定律，並且都將沿同一方向傳播。”

研究人員施加了電場，將波極子移出了左池。當他們沿著通道移動時，他們來到了交匯處，可以轉身去旁邊的池，也可以繼續直奔右邊的池。正如研究人員所預料的那樣。沿動量守恆而不是歐姆定律，漣漪極化子從左邊的池一直延伸到右邊的池。如下圖所示T形微通道裝置由三個儲罐組成，三個儲罐之間透過T型接頭相連。

但是，這種違法歐姆定律的行為僅在某些情況下發生。電子的密度必須很高，否則就不會形成雙極子，溫度也必須很低。當研究人員沿相反方向進行實驗時，他們發現了相同的單向運動，但是當他們將電子從側面儲層中運出時，他們發現裂極子會撞到頂部的壁中，波將消失並且［無電］電子將再次遵循歐姆定律。

該實驗是由好奇心驅動的。康斯坦丁諾夫教授說：“我們想知道電子如何受到電子進入介質的影響，對我們來說，這是令人興奮的發現。但是，瞭解這些屬性也很重要。流體中的電子在構建量子位時非常有用，量子位是構成量子計算機的微小部分。如果我們可以將流體中的電子用於量子位元，我們可以為計算機建立一個靈活的、可移動的體系結構。”