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激光陷阱“捕获”霍氏蝴蝶:圆了40多年的梦

2013-09-26 09:30
姚看江湖
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  ——经过40年的苦苦追寻,物理学家们终于发现了量子物理中第一个分形图案:霍氏蝴蝶。此名取自1979年的图书《哥德尔、埃舍尔与巴赫》,本书作者同时也是普利策奖获得者道格拉斯?霍夫斯塔特,在此书中描述了极端磁场条件下的电子活动。

  为了“诱捕”霍氏蝴蝶,科学家设计了特制的“网”。五月以来,若干组织陆续公布了他们利用六角晶格寻找蝴蝶的方法;上个月,另有组织宣布,已用激光陷阱“捕”到了它。

  霍氏蝴蝶的首次提出曾颠覆了科学界。

  在上个世纪的70年代,物理学普遍认为:电子在磁场的作用下会做圆周运动。霍氏发现,如果换成包在晶状固体的电子,则不止绕圈这么简单。急剧变化的磁场中,衡量电子能量的物理量——“能级”将一次次分层。若用图像来标明,显示出的轨迹图看起来像一只蝴蝶,跟进观察则将发现它在无限小的尺度上继续扩张。

霍夫塔斯特的蝴蝶分形图

  这样的设想在当时很难被实验证实。毕竟它需要的磁场强度取决于晶格中各原子的间距。传统材料中,原子间距不到十亿分之一米;当时最好的磁场只能达到100特斯拉,而且持续时间不足一秒。

  更大间距的晶格里拥有足够多的小磁场,堆起来就能产生足够的能量。五月,研究者声称已将单层碳原子面(石墨烯)堆了起来,它的碳原子像蜂窝一样紧密,顶端覆盖着同样蜂窝状的氮化硼。这样的构造相较六边形结构,能提供更大的磁感线覆盖面,也即高效的放大了磁场。

  磁场构建成功后,研究者测量了复合材料导电性的离散变化,这是一种随着电子能级分层的逐步跃迁。但这样的结果并非电子活动的直接检测。实验中,霍氏蝴蝶并没有被发现,但至少证明了它是存在的。

  另有一种方式可以寻得霍氏蝴蝶:让原子像电子一样活动。通过将铷原子置于接近绝对零度的低温,用一系列纵横交错的激光打在铷原子上,原子从一个出口游离到另一个。通过这样的设计,重力引导原子进行类似电子处于磁场内的圆周运动——尽管实际上并没有磁场。这个系统很容易记录单个原子的运动,更能够模拟出一个足够强大的磁场。

  在探索固体中量子活动的漫漫征程中,我们期待更多像“诱捕蝴蝶”这样的实验,和更多的新现象和新见解。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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