在教科書中我們經常看到原子、質子、中子、電子等各種微觀粒子的示意圖,雖然個個都用圓形來代表,其實它們不大可能真的是球形。

科學家們認為電子其實沒有固定的形狀,或者是帶尖角的粒子,或者其形狀隨著其能量水準而變化,即是一個波形函數才能表達的概念。現在,一組物理學家利用「量子點」(quantum dot)技術首次揭示了單個電子的形狀。

「量子點」是納米級別大小的半導體晶體。新一代電視機就有量子點電視(QLED),但是量子點技術的用途遠不止在這方面。

量子點也被當作「人造原子」,因為它能把電子固定在其中,用電場控制電子所在的位置。處於量子點中的電子類似被綁定在原子中的情況,因此量子點被稱為「人造原子」,不過其內部空間是自然界原子的一千倍大。利用分光鏡,研究者們能夠測到量子點內的能量水準,觀察在不同強度和方向的磁場下電子的情況,由此計算出電子在量子點內形狀的波形函數。

「簡單來說,我們用這個方法首次展示了電子的樣子。」研究者之一巴塞爾大學(University of Basel)的物理學家Daniel Loss說。

電子形狀、轉向的可控性

這份研究並未止步於此。研究者們還能夠通過改變電場準確控制電子的形狀、旋轉的方向。

研究者們表示,對電子轉向的控制在量子糾纏研究中有重要意義,因為成功的量子糾纏需要兩個電子處在同一平面內。

而且,電子的轉速也是量子電腦量子比特的一個重要考慮因素。

只有電子轉速可控,才可將其作為量子電腦的最小資訊單位元——量子比特。

由於電子的轉速部份取決於電子的形狀,因此這份研究為實現這一目標提供了潛在途徑。

這份研究在《物理評論快報》(Physical Review Letters)和《物理評論》(Physical Review B)B刊上都發表了。◇