經(jīng)過40年的苦苦追尋，物理學(xué)家們終于發(fā)現(xiàn)了量子物理中第一個(gè)分形圖案：霍氏蝴蝶。此名取自1979年的圖書《哥德爾、埃舍爾與巴赫》，本書作者同時(shí)也是普利策獎(jiǎng)獲得者道格拉斯•霍夫斯塔特，在此書中描述了極端磁場(chǎng)條件下的電子活動(dòng)。
為了“誘捕”霍氏蝴蝶，科學(xué)家設(shè)計(jì)了特制的“網(wǎng)”。五月以來，若干組織陸續(xù)公布了他們利用六角晶格尋找蝴蝶的方法；上個(gè)月，另有組織宣布，已用激光陷阱“捕”到了它。
霍夫塔斯特的蝴蝶分形圖
霍氏蝴蝶的首次提出曾顛覆了科學(xué)界。
在上個(gè)世紀(jì)的70年代，物理學(xué)普遍認(rèn)為：電子在磁場(chǎng)的作用下會(huì)做圓周運(yùn)動(dòng)?；羰习l(fā)現(xiàn)，如果換成包在晶狀固體的電子，則不止繞圈這么簡(jiǎn)單。急劇變化的磁場(chǎng)中，衡量電子能量的物理量——“能級(jí)”將一次次分層。若用圖像來標(biāo)明，顯示出的軌跡圖看起來像一只蝴蝶，跟進(jìn)觀察則將發(fā)現(xiàn)它在無限小的尺度上繼續(xù)擴(kuò)張。
這樣的設(shè)想在當(dāng)時(shí)很難被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。畢竟它需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度取決于晶格中各原子的間距。傳統(tǒng)材料中，原子間距不到十億分之一米；當(dāng)時(shí)最好的磁場(chǎng)只能達(dá)到100特斯拉，而且持續(xù)時(shí)間不足一秒。
更大間距的晶格里擁有足夠多的小磁場(chǎng)，堆起來就能產(chǎn)生足夠的能量。五月，研究者聲稱已將單層碳原子面（石墨烯）堆了起來，它的碳原子像蜂窩一樣緊密，頂端覆蓋著同樣蜂窩狀的氮化硼。這樣的構(gòu)造相較六邊形結(jié)構(gòu)，能提供更大的磁感線覆蓋面，也即高效的放大了磁場(chǎng)。
磁場(chǎng)構(gòu)建成功后，研究者測(cè)量了復(fù)合材料導(dǎo)電性的離散變化，這是一種隨著電子能級(jí)分層的逐步躍遷。但這樣的結(jié)果并非電子活動(dòng)的直接檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中，霍氏蝴蝶并沒有被發(fā)現(xiàn)，但至少證明了它是存在的。
另有一種方式可以尋得霍氏蝴蝶：讓原子像電子一樣活動(dòng)。通過將銣原子置于接近絕對(duì)零度的低溫，用一系列縱橫交錯(cuò)的激光打在銣原子上，原子從一個(gè)出口游離到另一個(gè)。通過這樣的設(shè)計(jì)，重力引導(dǎo)原子進(jìn)行類似電子處于磁場(chǎng)內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)——盡管實(shí)際上并沒有磁場(chǎng)。這個(gè)系統(tǒng)很容易記錄單個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)，更能夠模擬出一個(gè)足夠強(qiáng)大的磁場(chǎng)。
在探索固體中量子活動(dòng)的漫漫征程中，我們期待更多像“誘捕蝴蝶”這樣的實(shí)驗(yàn)，和更多的新現(xiàn)象和新見解。
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