量子波隱藏玄機 低溫下粒子仍能移動

科學家最近發現了一種令人驚訝的現象：即使在極低溫下，某些粒子仍能保持運動。這項發現顛覆了傳統物理學的認知，並為量子技術的穩定性帶來了新的希望。

當你將兩張具有重複圖形（如正方形或三角形）的影象疊加並稍微旋轉時，會產生一種稱為「莫爾條紋」的波紋狀圖案。這種由簡單重複和對齊產生的光學效應，在奈米尺度上也有類似的現象。科學家將稱為過渡金屬二硫化物（TMDs）的超薄材料層堆疊時，會產生所謂的「莫爾電位」，這是一種在層間具有能量峰谷的重複能量景觀。這些莫爾圖案可以引發不尋常的電子和光學行為。

直到最近，莫爾電位被認為是固定不動的。但勞倫斯伯克利國家實驗室分子鑄造廠的研究人員發現，在堆疊的TMDs中，莫爾電位並非靜止，即使在極低溫下也會移動。這項發現不僅為材料科學奠定了基礎知識，還可能提升量子技術的穩定性，因為控制莫爾電位有助於減少量子位元（qubits）和感測器的退相干現象。

這項研究由前博士後學者Antonio Rossi領導，他與分子鑄造廠的科學家Archana Raja合作，利用該設施的奈米結構成像和操縱工具進行實驗。Raja的實驗室專注於在低於-150°C的溫度下，使用超快雷射和光譜學來表徵二維材料。他們發現，在堆疊的兩層系統中，激子（electron-hole pairs）會分離：電子移動到二硫化鎢層，而帶正電的空穴則留在二硒化鎢層。這些特殊的層間激子被稱為IXs。

研究團隊注意到，IXs在莫爾電位的「海洋景觀」中探索，儘管它們被「困」在其中。Rossi解釋道：「讓莫爾電位移動所需的能量非常少，所以莫爾電位就像暴風雨中的海洋一樣移動。」Raja補充說：「我們展示了即使在非常低的溫度下，能量和資訊也不像人們預期的那樣區域性化。這是因為莫爾圖案的一種特殊『機械特性』。」

為了更好地理解激子的運動，研究團隊與倫敦帝國學院的Johannes Lischner和Indrajit Maity合作，透過模擬獲取莫爾電位海洋景觀的快照。他們發現，只有莫爾電位本身在移動，才能合理解釋觀察到的現象。研究人員提出，一種稱為「相位子」（phason）的低溫準粒子使IXs在被困時仍能移動。Rossi形容這種現象就像激子在莫爾電位中「衝浪」一樣。

研究團隊還發現，IXs在莫爾電位中的運動與角度和溫度有關。當TMD層平行時，運動達到最大值。令人驚訝的是，當系統溫度接近零時，IXs的運動並未完全停止，而是逐漸趨近於一個略高於零的數值。Rossi表示：「在一切應該被凍結的低溫下，這種運動仍然發生，這是一個驚喜。」

這項研究不僅揭示了量子世界的新現象，還為未來的量子技術應用提供了新的可能性。Rossi下一步將研究扭曲雙層石墨烯中的超導性，而Raja則對探索不同的半導體和莫爾系統，以及直接成像相位子感興趣。這項研究已發表在《ACS Nano》期刊上，並得到了美國能源部科學辦公室的部分支援。