2026年5月27日——加州大学河滨分校的科学家们在理解量子波函数如何在超薄材料中移动方面取得了突破性进展——这项研究有望最终改进太阳能技术，并为新型量子计算奠定基础。

这些研究人员来自UCR的“能量与时间量子振动学中心”（QuVET）。该中心成立于两年前，专注于研究“振动学”，即振动与电子量子态之间的相互作用。该中心同时研究生物分子和合成层状材料，在这些截然不同的系统中，相同的基本量子过程会显现出来。其研究汇集了来自多家机构的物理学家、化学家、工程师和生物化学家，以更好地理解振动如何塑造量子行为。

量子力学是物理学的一个分支，描述物质和能量在极小尺度（如原子和电子）上的行为方式。量子波函数是对粒子可能状态和位置的数学描述——实际上描述了电子可能存在于何处及其行为方式的概率。

QuVET的研究人员近期发表了三篇论文，探讨量子波函数在原子级薄层状材料中的行为。这些论文均被特别指定为“编辑推荐”，介绍了新的材料、器件架构和测量技术，使QuVET研究人员能够更深入地探测这些效应。

在发表于《物理评论快报》的一项研究中，研究人员表明，对双层超薄器件施加电场，可以精确控制带正电的量子波函数所在位置。

“波函数可以被转移到第一层、第二层，或者同时存在于两层——这种现象被称为量子叠加，”该研究的资深作者、物理学和天文学教授Nathaniel Gabor说。“我们发现，这种量子‘平衡行为’直接改变了材料的光学特性。”

另外两篇论文由Gabor合著，并由其QuVET同事、哥伦比亚大学的Xiaoyang Zhu和Eric Arsenault领导，探索了层状材料中相关的量子行为。他们建立了在仅有几个原子厚的材料中操控量子态的新方法，为能量转换和未来的量子技术开辟了新可能性。

“我们从生物学中了解到的一个重要方面是，电子波函数以不寻常的方式移动，”担任QuVET主任的Gabor说。“正是这种移动使得光合作用得以进行。”

Gabor解释说，在光合作用中，光会产生一个电荷中性的量子激发，该激发在植物叶片的分子之间移动，直到到达一个反应中心，在那里分离成一个电子和一个正电荷。这种分离使得生命系统能够从阳光中获取能量。

QuVET正在研究类似的过程如何在实验室构建的原子级薄材料中发生。该中心的研究人员还在操控量子力学如何允许波函数同时存在于多个位置。

“在这些层状材料中，我们可以考虑一层上的量子波函数如何跃迁到另一层，通过使用电压和电流，我们可以实验性地控制这些跃迁，”Gabor说。“我们甚至可以将波函数放置在一层或另一层上，或者同时分布在整个两层上——这在20年前听起来似乎不可能，但现在在实验上是可控的。”

QuVET的研究人员希望能够决定波函数是越过界面跳跃，还是停留在原处。

“其理念是，振动可能成为控制旋钮，实现未来的‘量子振动开关’，利用晶体振动来开启和关闭量子跃迁，”Gabor说。

理解这一过程对于改进能量转换技术（包括太阳能发电）至关重要。当光照射到材料上时，会产生一个中性的激发，必须将其分离成自由电荷，才能产生可用的电能。

“如果你没有足够快地提取能量，它可能会以热量的形式损失，或以光的形式重新发射，”Gabor说。“生物学已经进化出能够极其迅速地提取能量的系统，我们正在努力理解如何在合成材料中实现同样的效果。”

为了研究这些超快过程，QuVET研究人员使用光谱学技术，观测发生在飞秒和皮秒时间尺度——即万亿分之一秒和千万亿分之一秒——的事件。

其影响可能远远超出能量收集领域。研究人员认为，同样的物理学原理最终可能促成新型量子控制和计算形式。

“我们知道振动会显著影响这些系统的效率，”Gabor说。“我们仍然需要的是对其原因更深入的理解——而且鉴于该领域的发展速度之快，我们很可能很快就能得到答案。在实验科学的前沿，我们如今已经能够在难以置信的微小尺度上常规性地控制量子波函数。这仍然让我感到惊奇。”

美国陆军作战能力发展司令部陆军研究办公室项目经理Tania Paskova指出，科学家们常常从大自然中寻找理解运作机制的方法，并探索如何将其应用到人工系统中。

“这项研究正在回答关键的科研问题，这些问题可能有助于理解和控制人工生物系统中的振动效应，”她说。“通过为利用振动效应开发新型量子光子学和光电器件绘制路线图，这项研究有潜力显著提升未来陆军在量子计算、安全通信和传感技术方面的能力。”

这项研究得到了发展指挥部陆军研究办公室通过一项多学科大学研究计划资助的支持。