当一个芭蕾舞女演员旋转，旋转一整圈，她看起来就像她开始时一样。但对于遵循量子理论规则的电子和其他亚原子粒子，并不一定如此。当一个电子围绕一条封闭的路径移动，最终在它开始的地方移动时，它的物理状态可能与它离开时相同或不同。
现在，由于标准与技术研究所(NIST)科学家领导的一个国际研究小组，有一种方法可以控制结果。该团队开发出了第一个打开和关闭这种神秘量子行为的开关。该发现有望为量子理论的基本原理提供新的见解，并可能导致新的量子电子器件。
为了研究这种量子特性，NIST物理学家和同事Joseph A. Stroscio及其同事研究了在纳米尺寸的石墨烯区域内的特殊轨道中的电子 – 一种超强的单层紧密堆积的碳原子。当电子围绕原子中心运行时，被围绕的电子围绕石墨烯样品的中心运行。在石墨烯中行进完整的电路之后，轨道电子通常保持相同的精确物理特性。但是当施加的磁场达到临界值时，它充当开关，改变轨道的形状并在完成完整电路之后使电子具有不同的物理特性。
研究人员在2017年5月26日的“ 科学”杂志上报告了他们的发现(链接是外部的)。
新开发的量子开关依赖于称为Berry阶段(link is external)的几何属性，以英国物理学家Sir Michael Berry (链接为外部)命名，他在1983年开发了这种量子现象的理论.Berry阶段与粒子的波函数，在量子理论中描述粒子的物理状态。波函数 – 想象海浪 – 具有幅度(波的高度)和相位 – 相对于波周期开始的峰值或谷值的位置。
当电子围绕闭环形成完整电路以使其返回其初始位置时，其波函数的相位可能会移位而不是返回其原始值。这种相移，即Berry相，是量子系统行程的一种记忆，并不依赖于时间，只取决于系统的几何形状 – 路径的形状。此外，这种转变在广泛的量子系统中具有可观察到的后果。
尽管Berry相是纯粹的量子现象，但它在非量子系统中具有类比。考虑一下Foucault钟摆的运动，它用于展示19世纪地球的自转。悬挂的摆锤只是在同一垂直平面内来回摆动，但在每次摆动时似乎都会缓慢旋转 – 这是一种相移 – 由于地球在其下方的旋转。
自20世纪80年代中期以来，实验表明几种类型的量子系统具有与它们相关的浆果相。但在目前的研究中，没有人构建过可以随意打开和关闭Berry阶段的开关。由团队开发的开关由施加的磁场的微小变化控制，使电子突然大量增加能量。
位于麻省理工学院和哈佛大学的现有研究团队的几位成员开发了Berry相位开关的理论。
为了研究Berry阶段并创建开关，NIST团队成员Fereshte Ghahari建立了一个高质量的石墨烯器件来研究石墨烯内部电子的能级和浆态相。
首先，该团队限制电子占据一定的轨道和能量水平。为了保持电子的存在，团队成员Daniel Walkup通过在石墨烯下面的绝缘层中使用电离杂质创建了一个电子栅栏的量子版本。这使得NIST纳米技术用户设施 – 纳米科学和技术中心的扫描隧道显微镜能够探测受限电子的量子能级和贝瑞相。
然后该团队应用了一个指向石墨烯片的弱磁场。对于沿顺时针方向移动的电子，磁场产生更紧凑，更紧凑的轨道。但是对于沿逆时针轨道运动的电子，磁场具有相反的效果，将电子拉入更宽的轨道。在临界磁场强度下，磁场充当Berry相位开关。它扭转了电子的逆时针轨道，使带电粒子在电栅栏边界附近执行顺时针旋转。
通常，这些旋转不会有什么后果。然而，该团队成员克里斯托弗·古铁雷斯说，“石墨烯中的电子具有特殊的浆果相，当这些磁性诱导的旋转物被触发时，它会接通。”
当Berry相接通时，轨道电子突然跳跃到更高的能级。Stroscio说，量子开关提供了丰富的科学工具箱，可以帮助科学家利用新的量子器件的想法，这些器件在传统半导体系统中没有模拟器件。