量子发条—一门崭新的科学

【英国《新科学家》周刊1月22日一期文章】题：量子发条（作者  迈克尔·布鲁克斯）
假设你住在这样一个世界，在这里你轻轻地来回推动轿车就能让轿车驶上山坡，或是晃动台球桌就能让台球直接落入你选择的落袋。
对于一小群科学家来说，这样的世界并不奇怪。这些科学家研究的领域即使按照物理学前沿的标准来看也是崭新的。他们认为，电子像人们预计的那样自动远离电路负极的时代很快就要结束了。他们已经发现让电子在不施加任何有向电压的情况下来回运动的方法。
这就是量子棘轮（quantum  ratchet），一门崭新的科学。通过一个振荡信号或随机变化信号，你可以从看似混乱无序的状态中得到可以控制方向的有用运动。德国奥格斯堡大学的彼得·亨吉是在这一领域处于领先水平的一位科学家。亨吉兴奋地说：“你可以让电子转圈运动，或上下运动，还可以让电子爬坡。我们可以像在城市里开轿车和公共汽车那样操纵电子运动，就好像儿童做游戏一样。”
借助于让电子从一个电器元件跳跃到另一个电器元件，我们可以制造出不用电线连接的电子设备。随意分流的单个电子可以用来存储量子信息，经过专门设计的电路块可以构建新一代量子计算机的逻辑门。量子棘轮带来的意外收获是，它甚至可能会帮助我们了解肌肉是如何把散布体内的化学能转化成动能的。
棘轮是在周期性力的作用下产生单向运动的。例如，来回拧一个带棘齿的螺丝起子，螺丝就会不断地向深处钻，这靠的是向一侧倾斜的一圈棘齿。自行车的传动装置、十字旋转门和摆钟的摆轮里都用了棘轮。摆钟的摆轮把钟摆的来回摆动转变成钟表指针的单向运动。
亨吉和他的同事发现，量子理论可以让事物变得上下颠倒，或者说是变得乱七八糟。在低温下，处于槽的底部的电子无法逾越槽两侧的壁垒。经典物理学认为，这些电子将被永久地俘获。
然而根据量子理论，这些电子是可以逃逸的。因为电子是一种概率波，它没有明确的方位，不会永远被势能壁垒完全封闭起来。因此，电子存在着逃到势能壁垒之外的小概率，这一逃逸过程称为隧道效应。电子可以从两个方向贯穿棘齿形槽，但是贯穿薄壁垒的概率要比贯穿厚壁垒的概率高得多。
这只是理论观点。上个月，位于悉尼的新南威尔士大学的海纳·林克和他来自瑞典隆德大学的同行们证实了这一理论观点。
加州斯坦福大学的查尔斯·马库斯认为，量子棘轮是一场随时可能发生的革命，但是要说这场革命会有多大仍为时尚早。
但是，电子学并非量子棘轮唯一的用途。林克指出，由于电子携带有热量，量子棘轮也许可以用做热力泵，给芯片上的各个微元件降温。
量子棘轮可能还会帮助研究人员了解分子马达。这些微型的发动机是生物体内的棘轮，它们吸收化学反应释放的无方向能量，然后不知以何种方式就产生出单向运动。我们身体上的肌肉就是大批协调运作的分子马达。虽然肌肉不大可能是真正的量子棘轮，但是肌肉运动时会发生蛋白质内部电子转移等原子级水平的运动，因此内部可能存在量子效应。
亨吉指出，我们如今正在制造各种尺寸的棘轮，从几个微米大小到人体般大小。在量子世界运作的棘轮可能很快就会用于电子设备中。生物学家正在研制窄细的锯齿形沟槽，用以分割出不同重量的脱氧核糖核酸片段。