När en ballerina piruetter, snurra en full revolution, hon ser ut precis som hon gjorde när hon började. Men för elektroner och andra subatomära partiklar, som följer kvantteorins regler, det är inte nödvändigtvis så. När en elektron rör sig runt en sluten väg, slutade där det började, dess fysiska tillstånd kanske är detsamma som när det lämnade.

Nu, det finns ett sätt att kontrollera resultatet, tack till en internationell forskargrupp som leds av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST). Teamet har utvecklat den första omkopplaren som slår på och av detta mystiska kvantbeteende. Upptäckten lovar att ge ny inblick i grunderna i kvantteorin och kan leda till nya kvantelektroniska enheter.

För att studera denna kvantegenskap, NIST-fysikern och kollegan Joseph A. Stroscio och hans kollegor studerade elektroner som korrelerades i speciella banor inom en nanometerstor region av grafen-en ultrastark, ett lager av tätt packade kolatomer. De korrelerade elektronerna kretsar i mitten av grafenprovet precis som elektroner kretsar i mitten av en atom. De kretsande elektronerna behåller vanligtvis samma exakta fysiska egenskaper efter att ha färdats en fullständig krets i grafen. Men när ett applicerat magnetfält når ett kritiskt värde, det fungerar som en switch, ändra banornas form och få elektronerna att ha olika fysiska egenskaper efter att ha fullbordat en fullständig krets.

Forskarna rapporterar sina fynd den 26 maj, 2017, frågan om Vetenskap .

Den nyutvecklade kvantomkopplaren bygger på en geometrisk egenskap som kallas Berry -fasen, uppkallad efter den engelska fysikern Sir Michael Berry som utvecklade teorin om detta kvantfenomen 1983. Berryfasen är associerad med en partikels vågfunktion, som i kvantteori beskriver en partikels fysiska tillstånd. Vågfunktionen - tänk på en havsvåg - har både en amplitud (vågens höjd) och en fas - platsen för en topp eller ett dal i förhållande till början av vågcykeln.

När en elektron gör en komplett krets runt en sluten slinga så att den återgår till sin ursprungliga plats, fasen i dess vågfunktion kan skifta istället för att återgå till sitt ursprungliga värde. Detta fasskifte, Berry -fasen, är ett slags minne av ett kvantsystems resor och beror inte på tid, bara på systemets geometri - banans form. Dessutom, skiftet har observerbara konsekvenser i ett brett spektrum av kvantsystem.

Även om Berry -fasen är ett rent kvantfenomen, den har en analog i icke-kvantsystem. Tänk på rörelsen av en Foucault -pendel, som användes för att demonstrera jordens rotation på 1800 -talet. Den upphängda pendeln svänger helt enkelt fram och tillbaka i samma vertikala plan, men tycks sakta rotera under varje svängning - ett slags fasskift - på grund av jordens rotation under den.

Sedan mitten av 1980-talet har experiment har visat att flera typer av kvantsystem har en Berry -fas associerad med dem. Men fram till den aktuella studien, ingen hade konstruerat en omkopplare som kunde slå på och av Berry -fasen efter behag. Växeln som utvecklats av teamet, styrs av en liten förändring i ett applicerat magnetfält, ger elektroner en plötslig och stor energihöjning.

Flera medlemmar av det nuvarande forskargruppen - baserade vid Massachusetts Institute of Technology och Harvard University - utvecklade teorin för Berry -fasomkopplaren.

För att studera Berry -fasen och skapa omkopplaren, NIST-teammedlem Fereshte Ghahari byggde en högkvalitativ grafenanordning för att studera energinivåerna och Berry-fasen hos elektroner som hör till grafen.

Först, laget begränsade elektronerna till att uppta vissa banor och energinivåer. För att hålla elektronerna inskrivna, teammedlem Daniel Walkup skapade en kvantversion av ett elektriskt staket med hjälp av joniserade föroreningar i det isolerande lagret under grafen. Detta möjliggjorde ett skanningstunnelmikroskop vid NIST:s anläggning för nanoteknologi, centrum för nanoskala vetenskap och teknik, för att undersöka kvantenerginivåerna och bärfasen hos de begränsade elektronerna.

Teamet applicerade sedan ett svagt magnetfält riktat in i grafenarket. För elektroner som rör sig medurs, magnetfältet skapades tätare, mer kompakta banor. Men för elektroner som rör sig i moturs riktning, magnetfältet hade motsatt effekt, dra elektronerna till bredare banor. Vid en kritisk magnetfältstyrka, fältet fungerade som en Berry fasomkopplare. Det snodde elektronernas banor moturs, vilket får de laddade partiklarna att utföra piruetter medurs nära gränsen för det elektriska staketet.

Vanligtvis, dessa piruetter skulle få liten konsekvens. Dock, säger teammedlem Christopher Gutiérrez, "elektronerna i grafen har en speciell bärfas, som slås på när dessa magnetiskt inducerade piruetter utlöses. "

När Berry -fasen är påslagen, kretsande elektroner hoppar plötsligt till en högre energinivå. Kvantomkopplaren ger en rik vetenskaplig verktygslåda som hjälper forskare att utnyttja idéer för nya kvantanordningar, som inte har någon analog i konventionella halvledarsystem, säger Stroscio.