量子の幻影

物理学において、量子蜃気楼は量子カオスの特異な結果である。量子力学ビリヤードのあらゆるシステムは、瘢痕と呼ばれる効果を示す。瘢痕とは、量子確率密度が古典的なビリヤードのボールがたどる経路の痕跡を示すものである。楕円形のアリーナの場合、瘢痕は焦点で特に顕著である。これは、多くの古典的な軌道が収束する領域であるためである。焦点の瘢痕は、口語的に「量子蜃気楼」と呼ばれる。

量子蜃気楼は、 2000年にカリフォルニア州サンノゼのIBMアルマデン研究センターで、ハリ・マノハラン、クリストファー・ラッツ、ドナルド・アイグラーによって初めて実験的に観測されました。この効果は非常に顕著ですが、楕円形のアリーナにおける動的ビリヤードの量子力学に関するこれまでの研究と概ね一致しています。

蜃気楼は、基板上に任意の形状に配置された原子のリングである量子囲いの焦点で発生します。量子囲いは、1993年にLutz、Eigler、Crommie ^{[2]によって、}銅の表面上の楕円形の鉄原子リングと、低温走査トンネル顕微鏡の先端を使用して個々の原子を操作することで実証されました。 ^[3]強磁性鉄原子は、量子力学の理論で予測されているように、リング内の銅の表面電子を波パターンに反射しました。

量子コラールは、実際の原子と同様の化学結合特性を示す人工原子として見ることができます。^[4]

囲いの大きさと形状によって、電子のエネルギーと分布を含む量子状態が決まります。蜃気楼に適した条件を作るために、アルマデンのチームは楕円の焦点に電子を集中させる囲いの構成を選択しました。

科学者が磁性コバルト原子を囲いの一方の焦点に置くと、もう一方の焦点に原子の蜃気楼が現れた。具体的には、コバルト原子は一方の焦点にしか存在しなかったにもかかわらず、両方の焦点を取り囲む電子に同じ電子特性が存在した。走査型トンネル顕微鏡では、原子的に鋭い金属の先端を原子的に平坦なサンプル表面に向かって進め、原子から前進する先端への電子のトンネル効果が有効になるまで進める。鋭い先端を使用して、表面に吸着した原子をユニークな形に配置することもできる。たとえば、Cu(111) 上に吸着した 48 個の鉄原子を直径 14.26 nm の円に配置できる。^[2]銅表面の電子は、鉄原子によって形成された円の内側に閉じ込められる。銅表面の電子が吸着した鉄原子から散乱する際の建設的干渉により、中央に大きなピークを持つ定在波パターンが現れる。

IBM の科学者たちは、将来、量子の幻影を利用して原子スケールのプロセッサを構築したいと考えています。^{[タイムフレームは? ]}

• 「Quantum Mirage」は原子スケールの回路を実現するかもしれない、IBM Research Almaden、2000 年 2 月 3 日
• 量子囲いと量子蜃気楼の理論
• 量子囲いにおける量子蜃気楼の微視的理論