物理学家创造出了量子分形

物理学家创造出了一种被称为量子分形的奇异结构,从中可以揭示出电子的许多新奇特性和奇怪的行为表现。

分形是几何学上的术语,分形图案常见的重要特征是局部和整体高度相似,一直递归地自我重复:把局部放大后,看起来和原图形一模一样。它们在自然界中很常见。例如,罗马花椰菜的一小簇是整个花簇的一个分支,而在不同尺度下它们具有自相似的外形。闪电分裂成许多分支,每个分支又具有相同的分叉结构。此外,分形不具有通常的整数维度,也就是说它们不是二维平面和一维的线,而是介于两者之间的某个维度;数学上,称之为分数维度。

但是在微观量子领域,分形并不是那么容易实现的。现在,科学家在铜表面上用一氧化碳分子来创造人工量子分形。

铜表面的一氧化碳分子极其内部的电子构成的近似谢尔宾斯基三角形结构|Kempkes et al., Nature Physics

研究人员在11月12日的《 Nature Physics》上报告说,在一氧化碳分子之间,铜元素中的电子在三角形内形成了一个小三角形的分形形结构,这被称为谢尔宾斯基三角形。

谢尔宾斯基三角形A Sierpinski triangle(Solkoll/Wikimedia Commons)

当然,完整的谢尔宾斯基三角形将包含无限数量的三角形,因此研究人员只是创建了它的近似结构,其重复结构中包含了足够多的三角形。以至于分形中的电子继承了分数维度的特征:通过计算电子的波函数,研究人员发现电子被限制在谢尔宾斯基三角形的奇怪维度上,而波函数则相应地继承了相关的特征。

在这种情况下,科学家发现电子所在空间的维度约等于谢尔宾斯基三角形的维度,即1.58。

荷兰乌得勒支大学的物理学家Cristiane Morais Smith说,“从理论的角度来看,这是一个非常有趣且具有开创性的结果。”

目前,科学家还不知道电子在分数维度上的表现得如何。“我们的工作延伸到了一个完全未知的领域。”

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