维度网讯，美国加州大学河滨分校（University of California, Riverside）的科学家在量子波函数于超薄材料中的移动行为研究上取得进展，该成果有望用于改进太阳能技术，并为新型量子计算提供基础。

相关研究人员隶属于两年前成立的UCR“能量与时间量子振动学中心（Center for Quantum Vibronics in Energy and Time, QuVET）”，该中心专注于“振动电子学”，即振动与电子量子态之间的相互作用。中心研究涉及生物分子和合成层状材料，探讨这些不同系统中出现的相同基本量子过程，汇集了来自多个机构的物理学家、化学家、工程师和生物化学家，以深化对振动如何塑造量子行为的理解。

量子力学描述物质和能量在原子、电子等极小尺度上的行为。量子波函数是对粒子可能状态和位置的数学描述，表示电子可能存在的位置及其行为概率。QuVET研究人员近期发表了三篇论文，均被编辑特别推荐，探讨量子波函数在原子级薄层材料中的行为，介绍了新材料、器件架构和测量技术。

在发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）的研究中，研究人员通过施加电场于双层超薄器件，实现了对带正电荷量子波函数位置的精确控制。“波函数可以转移到第一层、第二层，或同时存在于两层，即量子叠加现象，”研究资深作者、物理学与天文学教授Nathaniel Gabor说，“这种量子‘平衡行为’直接改变了材料的光学性质。”另外两篇论文由Gabor合著，由其在哥伦比亚大学（Columbia University）的QuVET同事Xiaoyang Zhu和Eric Arsenault主导，建立了在仅有几个原子厚的材料中操控量子态的新方法。

Gabor指出，光合作用中电子波函数的移动方式使能量获取成为可能。在光合作用中，光产生电荷中性的量子激发，在植物叶片分子间移动至反应中心，分离成电子和正电荷。QuVET正研究类似过程在实验室制造的原子级薄材料中的发生方式，并操控量子力学使波函数同时存在于多个位置。“在这些层状材料中，可考虑一个层的量子波函数如何跳跃到另一层，通过电压和电流，我们能实验控制这些跃迁，”Gabor说。“振动可能成为控制旋钮，使未来的‘量子振动开关’利用晶体振动来开启和关闭量子跃迁。”

理解此过程对于改进太阳能等能量转换技术至关重要。光照射材料产生中性激发后，必须在产生可用电能前分离为自由电荷。Gabor表示，生物进化出能极快提取能量的系统，研究人员正尝试在合成材料中实现类似功能。QuVET使用光谱技术观察发生在飞秒和皮秒时间尺度（万亿分之一秒和千万亿分之一秒）的事件。研究人员认为，相同的物理学原理最终可能催生新型量子控制和计算。

美国陆军作战能力发展司令部陆军研究办公室项目主任Tania Paskova表示，该研究正在回答关键科学问题，有可能帮助理解并控制人造生物系统中的振动电子效应，为开发新型量子光子学和光电子学器件制定路线图，从而提升陆军在量子计算、安全通信和传感技术方面的能力。该研究获得了作战能力发展司令部陆军研究办公室通过一项多学科大学研究计划拨款的支持。

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