控制電子如何穿過材料是製造新型電子設備的關鍵，電子運動如何受磁場影響是一個尚未完全解決的老問題，但已獲得多個諾貝爾物理學獎。現在，位於漢堡的馬克斯普朗克物質結構和動力學研究所的科學家，已經解決了該領域長期存在的一個問題，即如何恢復某種對稱性，其研究結果發表在《物理評論快報》上。在強磁場中運動的電子由於電磁感應和電動機所依靠的洛倫茲力而作圓周運動。
在原子厚度二維的材料的量子平坦地帶，這導致了奇怪的量子效應。如整數和分數量子化霍爾效應，表明洛倫茲偏轉電荷的數量不是任意的，而是在離散(量子化)步驟中增加。儘管在磁場方面取得了很大進展，但對電子在磁場中行為的基本描述仍然有些不完整。這裡有一個深層次問題，該研究的第一作者、MPSD理論系的博士生Vasil Rokaj說：
如果有一個巨大的線圈，在空間中產生的磁場在任何地方都是一樣。量子表中的電子應該在任何地方感受到同樣的力。但傳統上，處理磁場的標準教科書無法解釋這一物理需求。由MPSD理論主任安吉爾·盧比奧、小組組長麥可·魯根塔勒和麥可·森特夫領導的研究小組。
羅卡伊和合著者馬庫斯·彭茨著手推導出解決這一缺陷的新方程，最初不知道會發生什麼，事實上，研究人員感興趣的是一個不同的問題，也就是，一個量子化而不是經典場在所謂的腔中如何影響電子運動。為了達到這個目的，Rokaj不得不使用量子電動力學，這是在20世紀30年代和40年代首次發展來描述電子和光子如何相互作用。當Rokaj寫下固體中電子的方程式時，研究團隊意識到有趣的事情發生了。線圈中的磁場是由光子組成，所以理論上，應該能夠用新方法來描述老問題。
令人驚訝的是，通常不被考慮場的量子不確定性(或波動)有助於恢復基本的對稱性——無論在空間的什麼地方觀察，一切都應該是相同的。這些研究證明，我們正沿著正確的軌道，以全面的方式解決這個問題。許多研究人員致力於研究光子如何改變物質性質的大規模問題——從新穎的化學反應到可能有助於構建未來量子計算機的材料。這項研究證明，從基本理論出發，重新審視老問題總是值得的，更多的驚喜正等待著被發現。
博科園｜研究/來自：馬克斯普朗克物質結構和動力學研究所
參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.047202
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