电子的流动驱动着我们的现代生活。
从空气炸锅这样不可或缺的家用电器，到我们工作、刷梗图消遣所依赖的各种尺寸的屏幕，现代科技都依靠电子的定向流动来运作。
然而，电子遵循的是量子世界的奇异规则，表现出的怪异行为在宏观世界前所未见，比如叠加态——在被观测之前，电子可以同时处于多种状态，就像薛定谔那只理论上不死不活的猫一样。
不过，它们的一些奇特活动有时也会展现出与现实世界的类比，帮助我们这些非量子物理学家对不可见的过程略知一二。
在一项突破性研究中，密歇根大学的物理学家们通过开发一种“电子灯塔”装置，揭示了新的物理现象。这种装置发射的电子束可以用不同“颜色”的光来控制，完全不需要电源。
“这可不是寻常的工作方式。提起电子在材料中运动，通常是因为施加了电场，电子才会四处弹跳并在材料中漂移，”密歇根大学实验物理学家、该研究的资深作者 Steven Cundiff 解释道。
“而在这里，利用光，你其实可以在不施加电场的情况下，把电子‘喷射’到特定方向。”
在美国国家科学基金会的支持下，研究人员制作了一个装置，利用两束不同“颜色”（位于电磁波谱中不可见的红外区域）的激光来控制电子在半导体内流动。
“最令人惊讶的或许就是，用我们制作的这个装置甚至能探测到这一过程产生的电流，” Cundiff 告诉媒体。
“所产生的电流是一种‘弹道’电流，也就是说电子沿着由其初始‘发射’速度决定的轨迹运动。通常，电流并非弹道式的，而是扩散性的，因为电子会不断地被材料中的杂质和缺陷散射。”
研究人员在密歇根大学的卢里纳米制造设施建造了他们的装置，并测试了多种方法，以建立一个不会引入可能干扰结果的外部电场的实验系统。
“那是我要解决的最大难题，因为没有现成的标准方法，”该研究的第一作者、目前在格兰杰工程学院担任机器学习科学家的 Yiming Gong 说道。
“所以我和卢里纳米制造设施的工作人员合作，尝试了不同的配方和温度，最终摸索出了一套制造工艺。”
先前的理论和实验工作已经表明，仅靠光就可以提供让电子流动所需的能量。
“其实这个项目挺有意思的，因为我多年前就开始研究它的前身，当时是为了制作一种用于稳定频率梳的相敏探测器，” Cundiff 告诉媒体。
这种频率梳是实现电磁波精密控制的核心工具，可用于制造更精确的时钟、计算机和通信系统。
这项研究建立在先前工作的基础上，证明了光可以用来吸引电子以类似光束的形态流动，作者将其比作灯塔。
“光不再仅仅是打开电流，它还能瞄准电流的方向，” Cundiff 解释道。
然而，瞄准这束电子束比简单地转动一盏灯要复杂得多。研究人员实际上是通过旋转光的偏振方向（即光波振荡的方向）来旋转电子束。
这项研究也实现了先前合作者、多伦多大学理论物理学家 John Sipe 的一项预言。
Sipe 及其同事曾预言，这种实验装置会产生观测到的“电子灯塔”效应，即在没有外加电压的情况下产生定向电子束。
其背后的机制被称为量子干涉，是一种“标志性”的量子过程。
经典粒子有着明确的轨迹，而在极度反直觉的亚原子领域，粒子表现得像模糊不清的波。量子干涉描述了这些粒子的波函数如何相干增强或相互抵消。
未来，这项研究可能有助于阐明决定材料基本行为的量子几何。因此，它或许能助力改进多种技术，包括那些旨在以更高精度描述物理量的量子传感技术。
量子干涉的进步也能提升成像和通信技术，改善设备间的信号传输方式，并提高数据传输量。
同样，量子干涉还能通过放大获得理想计算结果的概率、抑制不理想结果的概率，从而极大地提升计算速度。
未来属于量子世界，而在支配有形世界的亚原子粒子与场的这片依然幽暗、不可见之海中，这座“灯塔”或许将为我们导航。
这项研究已发表于《物理评论快报》。
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