量子物理学：グラフェン量子ドットにおける相対論的量子「スカー」の直接可視化

量子「スカー（傷跡）」とは、不安定な古典的周期軌道に沿って確率密度を増大させた固有状態を指す。スカーは、40年前に初めて予言され、対応する古典系がカオス的である量子系において、直感に反してエルゴード性が無視される特殊な固有状態である。その重要性と長い歴史にもかかわらず、量子系におけるスカーの直接の可視化はいまだ達成されていない。本論文で我々は、グラフェン量子ドット（GQD）のin situ生成と波動関数のマッピング技術を用い、走査型トンネル顕微鏡により、ディラック電子についてナノメートルの空間分解能とミリ電子ボルトのエネルギー分解能で、量子スカーを画像化した。具体的には我々は、スタジアム形のGQDにおいて、確率密度がレムニスケート∞形パターンや縞状パターンの形状を取って増大することを見いだした。どちらの特徴も等エネルギー間隔の再帰性を示しており、これは相対論的量子スカーの予測と一致する。我々は、古典シミュレーションと量子シミュレーションを組み合わせることによって、観測されたパターンがスタジアム形のGQDに存在する2つの不安定な周期軌道に対応することを実証し、それらが共に量子スカーであることを証明する。今回の成果は、量子スカーリングの明確な視覚的証拠を提供するとともに、相対論的カオス量子系における量子–古典対応についての知見を提供しており、摂動誘起スカー、カイラルスカー、アンチスカーリングなどの最近提案された他のスカーリング種の実験的研究への道を開くものである。

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