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电子如何受磁场影响?量子不确定性原理,将有助于解决这个难题!

控制电子如何穿过材料是制造新型电子设备的关键,电子运动如何受磁场影响是一个尚未完全解决的老问题,但已获得多个诺贝尔物理学奖。现在,位于汉堡的马克斯普朗克物质结构和动力学研究所的科学家,已经解决了该领域长期存在的一个问题,即如何恢复某种对称性,其研究结果发表在《物理评论快报》上。在强磁场中运动的电子由于电磁感应和电动机所依靠的洛伦兹力而作圆周运动。在原子厚度二维的材料的量子平坦地带,这导致了奇怪的量子效应。

如整数和分数量子化霍尔效应,表明洛伦兹偏转电荷的数量不是任意的,而是在离散(量子化)步骤中增加。尽管在磁场方面取得了很大进展,但对电子在磁场中行为的基本描述仍然有些不完整。这里有一个深层次问题,该研究的第一作者、MPSD理论系的博士生Vasil Rokaj说:如果有一个巨大的线圈,在空间中产生的磁场在任何地方都是一样。量子表中的电子应该在任何地方感受到同样的力。但传统上,处理磁场的标准教科书无法解释这一物理需求。由MPSD理论主任安吉尔·卢比奥、小组组长迈克尔·鲁根塔勒和迈克尔·森特夫领导的研究小组。

罗卡伊和合著者马库斯·彭茨着手推导出解决这一缺陷的新方程,最初不知道会发生什么,事实上,研究人员感兴趣的是一个不同的问题,也就是,一个量子化而不是经典场在所谓的腔中如何影响电子运动。为了达到这个目的,Rokaj不得不使用量子电动力学,这是在20世纪30年代和40年代首次发展来描述电子和光子如何相互作用。当Rokaj写下固体中电子的方程式时,研究团队意识到有趣的事情发生了。线圈中的磁场是由光子组成,所以理论上,应该能够用新方法来描述老问题。

令人惊讶的是,通常不被考虑场的量子不确定性(或波动)有助于恢复基本的对称性——无论在空间的什么地方观察,一切都应该是相同的。这些研究证明,我们正沿着正确的轨道,以全面的方式解决这个问题。许多研究人员致力于研究光子如何改变物质性质的大规模问题——从新颖的化学反应到可能有助于构建未来量子计算机的材料。这项研究证明,从基本理论出发,重新审视老问题总是值得的,更多的惊喜正等待着被发现。

博科园|研究/来自:马克斯普朗克物质结构和动力学研究所

参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.047202

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