20年老的假說被確認: 電子冷卻到接近絕對零度會顯示出它們的量子本質!

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我們終於可以把東西看得更清楚。

科學家已經發現,電子冷卻到接近絕對零度會造成它們的速度下降得很多,以至於可以個別研究它們,使我們能夠以全新的詳細程度來看這個世界。

在這些溫度下,電流停止流動。取而代之的是,電子滴流穿越導體,就好像是在沙漏中的砂粒。最後,顯露出它們的量子態,而且允許我們一次一個地研究它們。

來自德國馬克斯普朗克研究所(Max Planck Institute)的首席研究員Christian Ast說:「這些極低溫打開了意想不到的大量細節。」

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電子是奇怪的次原子粒子,它們形成原子,構成我們周圍的世界和電流。但即使我們知道了很多有關於它們以及它們如何運作,它們是非常難以讓我們真正地釘牢,以便於進行研究。

這是因為當電流流動時,不可能區分個別電子。就像水一樣,當水從水龍頭流出時,感覺它是同質的(或所有都是同一種介質),並且不可能區分個別的水分子。

類似地,流動的電流感覺就像是一個單一媒介,而且科學家無法區分電流中的個別電子,即使量子力學說他們應該存在。

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這意味著我們也不是真正了解電子在個別層級上的行為,這限制了我們對我們周圍世界的理解。

但現在研究人員終於設法將電子減速到足以顯露出它們的量子狀態,這個狀態是在隔絕的量子系統內單獨實體的理解。

換句話說,當電子流經導體時,他們把電子減速到足以研究個別的電子。

為此,這個團隊把掃描穿隧顯微鏡(scanning tunnelling microscope)冷卻到絕對零度以上的千分之十五度,這是大約攝氏-273.135度(華氏-459.65度)。

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掃描穿隧顯微鏡的工作原理是透過在樣品表面上操作一個小的尖點但不實際接觸到樣品,激發電流從尖點流入樣品。

在正常溫度下,該電流相當的小,我們所說的是低於十億分之一的電流流經100瓦燈泡。但即使在這麼小的電流,每秒仍有數十億個電子在流動,而科學家不可能區分個別電子。

直到這個團隊將顯微鏡冷卻到幾乎絕對零度,他們終於能夠看到電流是由個別的電子所組成;它變成了顆粒介質。

在這個低溫下,它們能夠在顯微鏡記錄的電氣反饋(electric feedback)中,偵測出新的且意想不到的結構。

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Ast說:「只要假設穿隧電流是顆粒介質而且不再是同質的,我們就可以解釋這些新結構。」

這項發現最終可以證實一個發展超過20年的理論假說,認為這類型的檢查是可能的。

研究人員之一、來自烏爾姆大學(University of Ulm)的Joachim Ankerhold說:「這個理論的基礎是在1990年代初開發的。」

「現在,有關它在應用於掃描穿隧顯微鏡的概念與實際問題已經解決,很高興看到理論和實驗是一致的。」

這不是第一次電子顯露它們的量子本質,它們已經像量子點(quantum dot)一樣,一次一個地通過事物;但這是第一次掃描穿隧顯微鏡被看到達到量子極限。

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研究人員希望這種能力導致在量子世界的新發現,而且Alt說:「將讓我們更能夠了解超導性與光物質的互相影響。」

畢竟,我們越能理解物質本身,我們就越能理解宇宙。

這項研究發表於自然通訊期刊(Nature Communications)

來源:ScienceAlert