量子材料为从电池到传感器，甚至我们的智能手机的电子设备的未来提供了许多好处。得益于纠缠等量子行为，这些材料表现出不同寻常的电子、光学和磁性，使其更加节能。
意大利萨莱诺大学物理学副教授卡米内·奥蒂克斯（Carmine Ortix）说：“量子材料在某些电子过程中优于传统材料，开辟了广阔的应用机会。”
量子材料的电子特性
奥蒂克斯是日内瓦大学领导的一个国际研究团队的成员，该团队研究了如何控制量子材料的电子特性。他们最近的研究表明，我们可以通过弯曲这些材料内部的空间结构来更严格地控制电子。
研究人员将他们的量子材料包裹在绝缘体中，将控制能量输出的电子困在一个夹层中，限制了它们的自由空间。然后，使用特定的激光脉冲，该团队将他们材料的每个原子堆叠在一起。
发表在《自然·材料》上的结果表明，这种新材料可以推动节能电子产品的未来发展。
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什么是贝里相位？
在理解如何控制电子运动时，奥蒂克斯和他的团队依赖于量子物理学中的一个概念，称为贝里相位。这个相位以英国物理学家迈克尔·贝里爵士（Sir Michael Berry）的名字命名，当一个类波粒子（如电子）在磁场或其他力场中沿闭合路径移动时就会发生。
当粒子沿闭合路径移动时，其波函数的一部分——一个“地图”，显示粒子在量子领域某个区域中的可能位置——会发生变化，影响它与其他粒子的相互作用。
贝里相位相当复杂，所以想象这个过程就像眼科检查一样有帮助：眼科医生用于检查您的近视和远视能力的巨大金属头戴式设备（焦度计）包含两个用于每个镜片的对焦轮。
当眼科医生转动这些轮子，问道：“一是更好还是二是更好？”时，镜片的质量会发生变化。当您回到轮子的起点时，第一个和最后一个镜片之间的差异会大不相同。
这个循环过程类似于贝里相位发生的情况，即电子在物体沿闭合路径（或轮子）移动时演化。但是，奥蒂克斯和他的同事在他们的实验中将贝里相位向前推进了一步，研究了材料中电子的贝里曲线。
两种贝里曲率
奥蒂克斯说：“你可以把贝里曲率看作是电子具有某些特殊性质时产生的有效磁场。”
先前的研究表明，这些电子曲线要么是自旋源的，要么是轨道源的。自旋源的贝里曲线可以绘制成图，显示电子在磁场存在下移动时动量的变化。
这条曲线之所以被称为“自旋源”，是因为它考虑了电子的自旋，也就是赋予电子磁矩、使其磁化的量子特性。磁场的存在导致电子沿与磁场相同的方向旋转。
相比之下，轨道源的贝里曲线显示了在没有磁场的情况下电子波函数的变化。
这条曲线考虑了电子的轨道特性，它描述了电子在原子核周围的空间分布。电子的轨道会影响其波函数的相位，从而影响其在材料中的行为。
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电子夹心
在他们的新研究中，研究人员发现，通过弯曲容纳电子的空间并同时改变材料的磁场，电子可以表现出同时的自旋和轨道源贝里曲线。
奥蒂克斯说：“量子材料的曲率是基本电子的固有性质。实际上，材料内部的大量电子形成了一个可以拥有曲率的‘量子几何空间’。”
这意味着，通过将电子困在指定空间内，科学家可以更轻松地控制电子在材料内弯曲空间结构的时间和方式。两条曲线协同工作，可以更严格地控制材料，这表明我们的设备未来将更节能，因为能量损失更少。
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节能技术
日内瓦大学教授、该研究的合著者安德烈亚·卡维利亚（Andrea Caviglia）说：“这一潜力需要通过进一步的实验来探索。”这种新的量子材料对于纳米技术和传感电磁信号的未来也可能至关重要。
奥蒂克斯解释说：“我们研究结果的意义在于，测量的量子输运特性可能会在未来的光电器件纳米器件中得到利用。”这些类型器件（非纳米尺度）的例子包括太阳能电池或 LED 灯。
奥蒂克斯补充说：“我们研究中讨论的非线性电响应可能与制造将电磁能转化为可用电能的微型设备有关。”
将电磁能转化为电能，在电信行业尤其有用，因为手机、笔记本电脑或电视卫星不断传输和接收电磁信号。
随着电信行业的进步，像奥蒂克斯和卡维利亚研究的量子材料，在制造更强大的卫星和其他设备方面可能会变得至关重要。
