摘要：密歇根大学的孙凯是一位谦逊却有着远大目标的物理学教授。“我主要是一个纸笔类型的理论家，主要做分析计算，”孙凯说。“我的兴趣很广泛，但基本上是在寻找新的基本原理和新现象，尤其是那些以前被认为不可能出现的新现象和新物理。”

密歇根大学

密歇根大学的孙凯是一位谦逊却有着远大目标的物理学教授。“我主要是一个纸笔类型的理论家，主要做分析计算，”孙凯说。“我的兴趣很广泛，但基本上是在寻找新的基本原理和新现象，尤其是那些以前被认为不可能出现的新现象和新物理。”

虽然他的最新研究并没有完全触及那个不可能的门槛，但它确实更新了我们对物理可能性的理解。根据孙和他的同事发表在《物理评论X》杂志上的新研究成果，一种过去被认为有时才可能的量子行为实际上很容易实现。

利用这种行为可以帮助以新的方式操纵光和其他量子粒子，这可以在量子计算等新兴领域找到应用。

密歇根大学研究员张凯和研究生舒畅也参与了这项研究。

保持怪异，量子力学

虽然经典物理学（支配我们日常生活中看到和感受到的大部分事物的自然定律）往往是非黑即白的，但量子力学却以更加模糊而闻名。

例如，在经典物理学中，波和粒子是不同的概念。但在超微小的量子领域，光和电子等物质既是波，又是粒子。在传统计算机中，一个比特的值要么是零，要么是一。在量子计算机中，量子比特是一和零的组合。

孙和他的同事的新研究延续了量子在“非此即彼”二元之间寻找模糊中间地带的倾向。

此前，科学家们认为高能波或粒子在物质内部存在两种典型的方式——记住，它们在量子力学中并不完全不同。为了想象这些状态或模式，想象一下拿着一根被剪断的长橡皮筋，这样它就变成了一条直线，而不是一个圆环。

如果你捏住靠近中心的两个点，然后拉紧，然后让别人像拨吉他弦一样拨动它，你就会得到其中一种状态。能量包含在琴弦中，在你的手指之间上下移动，形成驻波，它不会沿着琴弦传播。

这与行波相比，行波更像是像鞭子一样抽动波段，使涟漪沿着波段的长度传播。

“如果我们使用量子术语，一个是受限的或局部的。另一个是传播波，”孙说。

研究人员此前已知道存在第三种中间状态，这种状态部分（而非完全）局部化。他们认为，问题在于这些状态非常挑剔。

我有权力（法律）

在橡皮筋的局部波例子中，捏住的手指就像屏障，阻止能量传播。在实际材料中，这种屏障可以通过微观结构中的边缘或不规则性来呈现。受限状态或模式可以在这些边界内摆动，但它们的能量在边界外会迅速消失。用数学上的精确表达，这种快速衰减是指数级的。

对于传播中的波来说，不存在这样的障碍，也不会出现快速衰减。但在介于两者之间的部分受限状态下，存在一种不像指数衰减那么剧烈的衰减。这种衰减在数学上可以用所谓的幂律来描述。

孙教授说：“幂律衰减比指数衰减慢得多，但比不衰减快得多。”

研究人员之前在现实世界的实验中观察到过幂律衰减的情况，但这些情况被认为很难建立和维持。

“这是可能的，但需要某种微调，”孙教授说。“这项研究的有趣之处在于，我们发现了一类系统，其中所有模式都符合幂律，而且非常稳健。它们不需要任何微调。”

这篇论文提出了一些新的设计思路，未来或许能使访问这些状态变得更容易、更可靠。这一发现的关键之一是，此前大多数研究人员都专注于一维问题，例如橡皮筋。

孙和同事们考虑了二维或多维空间中的情况，发现幂律衰减在材料边界或“表皮”附近是常态。他们还发现，这些表皮模式的行为对材料的形状非常敏感，特别是其长宽比，这在以前是从未被证实过的。

孙宇晨表示，发现新物理学和开始设想量子计算等领域的应用都令人兴奋。例如，比特可能承载着受限模式进行计算，同时仍然允许幂律模式在它们之间传输信息。

孙教授说：“这项工作从根本上揭示了新颖的概念，同时也为未来的应用开辟了新的机会。”

来源：仙女讲科学