电子波被原子散射时发生的相移是物理学中最基本的问题之一。虽然理论上指出原子内电子轨道的形状反映在相移中，但1997年发表在《自然》杂志上的一篇论文报道称，含有10个或更多电子的人造原子散射引起的相移，每当电子数量改变一个时就会恢复到原来的状态，这是一种与轨道无关的普遍行为。人们对其起源进行了大量研究，但至今仍未解决。
东京大学大学院工学研究科教授塔鲁查（理化学研究所突发物质科学研究中心量子信息电子部门负责人）、山本特聘副教授（理化学研究所突发物质科学研究中心量子电子器件研究部组长）、米乐m6官方网站利用能够精确可靠地测量电子波相移的独特的两路干涉仪、联合研究所物理测量部高田研究员标准研究部与法国尼尔研究所的Boillat博士等合作，在世界上首次揭示了即使在多电子人造原子中，相移也反映了轨道的形状。研究成果于2017年6月7日发表在Physical Review B上。(https://journalsapsorg/prb/abstract/101103/PhysRevB95241301）。
在这项研究中，我们添加了更多数据，结果表明，如果在现实的实验系统中进行适当的测量，则无法观察到普遍的相位变化，并且我们解决了长达 20 年的电子散射相位问题。所开发的相位测量技术可作为研究人造原子内部结构的方法，也可用于阐明与散射问题相关的各种物理现象，以及使用电子波相位作为信息源的量子信息装置。
该研究成果于2017年11月22日（英国时间）发表在《英国科学杂志》上自然通讯（自然出版集团）。
电子是构成物质的最小单位之一，具有粒子性和波性。电子的波动性可以通过干涉实验来理解。电子如何被散射体散射是量子力学的一个基本问题，这可以用来研究散射体的内部结构。例如，理论上预测，当电子通过人造原子散射时发生的相移会根据人造原子内部轨道的形状改变其行为。
近年来，由于半导体技术的进步，电子量子干涉仪（注4）以及可以限制单个电子的人造原子。因此，实验已经开始实际测量电子通过人造原子散射时的相位变化。然而，在1997年和2005年对含有10个或更多电子的人造原子进行的实验中，据报道，与理论预测相反，出现了一种不依赖于人造原子内部状态的普遍相行为。此后，人们进行了许多理论思考来解释这一原因，但尚未找到令人满意的解释。这是因为精确测量电子的相位在技术上是困难的。
在前期研究中，该研究组开发了一种独特的两路干涉仪，并证明可以精确可靠地测量电子波的相移。我们还通过阐明电子波中发生的相移在人造原子中的电子与与其连接的电极中的电子之间存在强相互作用的状态下如何表现来证明了双路干涉仪的有用性。
在这项研究中，我们开发了一种双路干涉仪，它采用了新的交联结构以提高可控性，并将人造原子纳入其中一条路径中（图 1）。然后，当一一改变人造原子中的电子数量时，我们观察到入射电子波相位的变化（图2）。电子波的相位每次穿过人造原子中的电子数量变化 1 时出现的传输幅度峰值时，相位就会改变 π。在本实验中，在两个相邻的传输幅度峰值之间观察到两种不同的行为：一种是相位中出现π跳跃并且相位返回到其原始状态（见图2（a）中的黑色箭头），另一种是相位平滑累积（见图2（a）中的红色箭头（粗箭头））。
该研究小组研究的人造原子含有数十个（2017年6月7日发表在《物理评论B》上的研究）到数百个（本文提出的研究）电子，并且根据1997年和2005年进行的实验结果，预计只有出现π跳跃的行为（图2（a）中的黑色箭头）才会被普遍观察到。然而，在这项研究中观察到了两种不同的行为，这与之前的实验结果不一致。此外，通过改变人造原子的对称性等详细实验，他们发现人造原子散射的电子波的相移取决于内部电子轨道的形状，正如理论最初预测的那样。
这一结果是通过在比以往实验更广泛的条件下进行高度可靠的相位测量而获得的，它解决了困扰20年的理论与实验结果之间的差异问题。这增进了我们对人造原子散射电子波相行为的理解，并表明相位测量可作为研究人造原子内部结构的有用方法。
这项研究中培育的精确相位测量技术有望在未来通过散射相位来阐明各种物理现象。此外，通过将该技术应用于电子波相位的精确控制，未来有望发展成为量子信息器件。
这项研究是与法国尼尔研究所国家科学研究中心Christopher Boillat博士研究团队和德国波鸿鲁尔大学Andreas Wik教授研究团队合作进行的。这项工作还得到了科学研究补助金 S（编号 26220710）、科学研究补助金 A（编号 26247050）、JST PRESTO（编号 JPMJPR132D）和 JST CREST（编号 JPMJCR1675）的支持。
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| 图1：本研究中使用的两路干涉仪示意图（主图）和马赫-曾德尔干涉仪示意图（右上图） |
| 人造原子（QD）嵌入在双路干涉仪中，它们的对称性和内部电子数可以通过向周围电极施加栅极电压来控制。该干涉仪的工作原理与右上图中所示的类似光干涉仪（称为马赫-曾德尔干涉仪）类似。从左上电极注入的电子波被电子波半透明镜分成两路，然后进入中央环形结构。在环形结构中，电子波经历相变，这取决于它们的路径长度和人造原子的状态。之后，它再次穿过半透明镜，并以电流的形式输出到右下的两个电极。实验中，输出电流I↑,我↓当电子以相反的相位振动时，我们测量了电子穿过人造原子所获得的相位。 |
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| 图2：含有许多电子的人造原子散射的电子波引起的相移的测量结果 |
| 下图(b)显示了通过电子干涉获得的通过人造原子散射的电子波的传输幅度，并出现周期性峰值。当人造原子中的电子数量改变一个时，就会出现这种传输幅度峰值。从左到右穿过峰时电子数增加 1，峰之间电子数保持不变。在此图中，电子数为N（~几百块）N正在进行 +14 相测量。上图(a)显示了电子波中对应电子数量变化而发生的相移，如下图(b)所示，其跨越峰值，当电子数量变化1时，相移变化π。此外，相邻峰之间会出现两种不同的行为：相位跳跃π并返回到原始状态（参见（a）中的黑色箭头），或者相位平滑地建立而没有任何此类跳跃（参见（a）中的红色箭头（粗箭头））。对这两种不同行为的观察表明，相移取决于人造原子内部电子轨道的形状，这表明含有许多电子的人造原子的相行为并不普遍。 |
杂志名称：《Nature Communications》：（2017 年 11 月 22 日）
论文标题：大量子点的非通用传输相行为
作者：H Edlbauer†、S Takada†、G Roussely、M Yamamoto、S Tarucha、A Ludwig、A D Wieck、T Meunier 和 C Bäuerle*，（† 这些作者对本文的贡献相同）
DOI 号：101038/s41467-017-01685-z
摘要网址：http://wwwnaturecom/ncomms