經過40年的苦苦追尋，物理學家們終于發現了量子物理中第一個分形圖案：霍氏蝴蝶。此名取自1979年的圖書《哥德爾、埃舍爾與巴赫》，本書作者同時也是普利策獎獲得者道格拉斯•霍夫斯塔特，在此書中描述了極端磁場條件下的電子活動。
為了“誘捕”霍氏蝴蝶，科學家設計了特制的“網”。五月以來，若干組織陸續公布了他們利用六角晶格尋找蝴蝶的方法；上個月，另有組織宣布，已用激光陷阱“捕”到了它。
霍夫塔斯特的蝴蝶分形圖
霍氏蝴蝶的首次提出曾顛覆了科學界。
在上個世紀的70年代，物理學普遍認為：電子在磁場的作用下會做圓周運動。霍氏發現，如果換成包在晶狀固體的電子，則不止繞圈這么簡單。急劇變化的磁場中，衡量電子能量的物理量——“能級”將一次次分層。若用圖像來標明，顯示出的軌跡圖看起來像一只蝴蝶，跟進觀察則將發現它在無限小的尺度上繼續擴張。
這樣的設想在當時很難被實驗證實。畢竟它需要的磁場強度取決于晶格中各原子的間距。傳統材料中，原子間距不到十億分之一米；當時最好的磁場只能達到100特斯拉，而且持續時間不足一秒。
更大間距的晶格里擁有足夠多的小磁場，堆起來就能產生足夠的能量。五月，研究者聲稱已將單層碳原子面（石墨烯）堆了起來，它的碳原子像蜂窩一樣緊密，頂端覆蓋著同樣蜂窩狀的氮化硼。這樣的構造相較六邊形結構，能提供更大的磁感線覆蓋面，也即高效的放大了磁場。
磁場構建成功后，研究者測量了復合材料導電性的離散變化，這是一種隨著電子能級分層的逐步躍遷。但這樣的結果并非電子活動的直接檢測。實驗中，霍氏蝴蝶并沒有被發現，但至少證明了它是存在的。
另有一種方式可以尋得霍氏蝴蝶：讓原子像電子一樣活動。通過將銣原子置于接近絕對零度的低溫，用一系列縱橫交錯的激光打在銣原子上，原子從一個出口游離到另一個。通過這樣的設計，重力引導原子進行類似電子處于磁場內的圓周運動——盡管實際上并沒有磁場。這個系統很容易記錄單個原子的運動，更能夠模擬出一個足夠強大的磁場。
在探索固體中量子活動的漫漫征程中，我們期待更多像“誘捕蝴蝶”這樣的實驗，和更多的新現象和新見解。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
