科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性

科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性 加州大学圣迭戈分校的研究人员利用一种先进的光学技术进一步了解了一种名为Ta2NiSe5（TNS）的量子材料。他们的研究成果发表在《自然-材料》（Nature Materials）杂志上。材料可以通过不同的外部刺激受到扰动，通常是温度或压力的变化；然而，由于光是宇宙中速度最快的东西，材料对光刺激的反应非常快，从而揭示出原本隐藏的特性。通过改进技术，研究小组获得了更广泛的频率范围，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。资料来源：Sheikh Rubaiat Ul Haque / 斯坦福大学量子材料中的先进光学技术"从本质上讲，我们用激光照射一种材料，这就像定格摄影，我们可以逐步跟踪该材料的某种特性，"领导这项研究的物理学教授理查德-阿维特说，他也是论文的作者之一。"通过观察组成粒子如何在该系统中移动，我们可以找出这些以其他方式很难发现的特性。"该实验由第一作者谢赫-鲁巴亚特-乌尔-哈克（Sheikh Rubaiat Ul Haque）完成，他于2023年从加州大学圣地亚哥分校毕业，现在是斯坦福大学的一名博士后学者。他与阿弗里特实验室的另一名研究生张远一起改进了一种名为太赫兹时域光谱学的技术。这项技术允许科学家在一定频率范围内测量材料的特性，而哈克的改进使他们能够获得更广泛的频率范围。量子态和光放大这项工作基于论文的另一位作者、苏黎世联邦理工学院教授尤金-德姆勒（Eugene Demler）提出的理论。Demler 和他的研究生马里奥斯-迈克尔（Marios Michael）提出了这样一个观点：当某些量子材料被光激发时，它们可能会变成一种能放大太赫兹频率光的介质。这促使哈克及其同事仔细研究 TNS 的光学特性。当电子被光子激发到更高的层次时，会留下一个空穴。如果电子和空穴结合在一起，就会产生激子。激子还可能形成凝聚态当粒子聚集在一起并表现为单一实体时会出现的一种状态。在 Demler 理论的支持下，利用马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所 Angel Rubio 小组的密度泛函计算，研究小组得以观测到反常的太赫兹光放大现象，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。凝缩物是一种定义明确的量子态，使用这种光谱技术可以将它们的某些量子特性印刻到光上。这可能会对利用量子材料的纠缠光源（多个光源具有相互关联的特性）这一新兴领域产生影响。哈克说："我认为这是一个广阔的领域。Demler的理论可以应用于一系列具有非线性光学特性的其他材料。有了这项技术，我们就能发现以前从未探索过的新的光诱导现象。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发现新型二维量子材料 质量增加100倍

科学家发现新型二维量子材料 质量增加100倍 "CeSiI中的电子比普通材料中的电子质量大100倍。这就是它们被称为重费米子的原因。"这项研究背后的乌普萨拉大学研究人员之一Chin-Shen Ong说："CeSiI的特别之处在于，这种有效质量是各向异性的，它取决于电子在原子层中移动的方向。"瑞典乌普萨拉大学物理与天文学系研究员Chin-Shen Ong。资料来源：乌普萨拉大学这项研究是乌普萨拉大学材料理论研究人员与美国哥伦比亚大学研究人员的合作成果。对于乌普萨拉大学的材料研究人员来说，主要问题是从理论上研究材料中电子的量子特性。重费米子的背景和意义重费米子化合物是一类电子相互作用异常强烈的材料。在此过程中，它们在所谓的量子波动中协调运动。这种相互作用使电子的质量比普通材料中的电子大 100 或 1000 倍。这些量子波动被认为在许多至今无法解释的量子现象中发挥了重要作用，如非常规超导现象（电流可以通过材料而不损失能量）和磁性。这种新型量子材料是在哥伦比亚大学实验室合成的，其独特之处在于它具有类似二维的晶体结构，各层之间有明显的分离，原子厚度很薄。这些层由铈、硅和碘（CeSiI）组成，是首例具有重费米子的二维材料。有关重费米子材料的研究已经进行了几十年，但直到现在，研究重点仍是原子紧密排列成三维结构的材料。早在 20 世纪 70 年代，乌普萨拉大学的研究人员就开始重点研究铈基材料，并取得了巨大成功。然而，由哥伦比亚大学实验室合成的这种新材料却独一无二，因为它具有类似二维的晶体结构，各层之间有明显的分离，原子厚度很薄。这些层由铈层、硅层和碘层（CeSiI）组成，是首例具有重费米子的二维材料。"有了这一发现，我们现在有了一个大大改进的材料平台，可以用来研究相关电子结构。二维材料就像乐高积木。我们的合作伙伴已经在着手添加其他二维材料的层，以创造出一种具有定制量子特性的新材料，"Chin-Shen Ong 说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家利用固态自旋量子传感器研究了电子自旋之间新的速度相关相互作用

科学家利用固态自旋量子传感器研究了电子自旋之间新的速度相关相互作用 标准模型是粒子物理学中一个非常成功的理论框架，描述了基本粒子和四种基本相互作用。然而，标准模型仍然无法解释当前宇宙学中的一些重要观测事实，例如暗物质和暗能量。一些理论认为，新粒子可以充当传播者，在标准模型粒子之间传递新的相互作用。目前，缺乏关于自旋速度相关新相互作用的实验研究，特别是在相对较小的力距离范围内，几乎不存在实验验证。研究人员设计了一个配备两颗钻石的实验装置。使用化学气相沉积在每颗钻石表面制备了高质量的氮空位 （NV） 集成。一个NV系综中的电子自旋用作自旋传感器，而另一个则充当自旋源。研究人员通过相干地操纵两个金刚石NV系综的自旋量子态和相对速度，在微米尺度上寻找电子速度依赖性自旋之间的新相互作用效应。首先，他们使用自旋传感器来表征磁偶极子与自旋源的相互作用作为参考。然后，通过调制自旋源的振动并执行锁定检测和相位正交分析，他们测量了SSIVD。研究的实验结果。图片来源：DU et al.对于两种新的相互作用，研究人员分别在小于1厘米和小于1公里的力范围内进行了首次实验检测，获得了宝贵的实验数据。正如编辑所说，“这些结果为量子传感界带来了新的见解，以利用固态自旋的紧凑、灵活和敏感特征来探索基本相互作用。该团队由中国科学院中国科学技术大学杜江峰院士和邢荣教授领导，浙江大学焦满教授合作。更多信息：Yue Huang 等人，与固态量子传感器的奇异自旋-自旋-速度相关相互作用的新约束，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.180801 ... PC版： 手机版：

研究人员利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用

研究人员利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用 巴塞尔大学在量子比特技术方面取得的进展为可扩展量子计算带来了希望，它利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用。全世界的研究人员都在探索各种量子比特技术，对实用量子计算机的追求正如火如荼地进行着。尽管做出了大量努力，但对于哪种类型的量子比特最能最大限度地发挥量子信息科学的潜力，人们仍未达成共识。量子比特是量子计算机的基础。它们负责处理、传输和存储数据。有效的量子位必须可靠地存储和快速处理信息。这就要求外部系统能够准确控制大量量子比特之间稳定、迅速的相互作用。当今最先进的量子计算机只有几百个量子比特。这就限制了它们执行传统计算机已经能够完成的计算，而且往往能更高效地完成。要想推动量子计算的发展，研究人员必须找到一种在单个芯片上容纳数百万量子比特的方法。电子和空穴为了解决数千个量子比特的排列和连接问题，巴塞尔大学和 NCCR SPIN 的研究人员依靠一种利用电子或空穴自旋（固有角动量）的量子比特。空穴本质上是半导体中缺失的电子。空穴和电子都具有自旋，可采用两种状态之一：向上或向下，类似于经典比特中的 0 和 1。与电子自旋相比，空穴自旋的优势在于它可以完全由电子控制，无需在芯片上安装微型磁铁等额外元件。两个相互作用的空穴自旋量子比特。当一个空穴（洋红色/黄色）从一个位点隧穿到另一个位点时，它的自旋（箭头）会因所谓的自旋轨道耦合而旋转，从而导致周围气泡所描述的各向异性相互作用。资料来源：NCCR SPIN2022 年，巴塞尔物理学家证明，现有电子设备中的空穴自旋可以被捕获并用作量子比特。这些"FinFET"（鳍式场效应晶体管）内置于现代智能手机中，并通过广泛的工业流程生产出来。现在，安德烈亚斯-库尔曼（Andreas Kuhlmann）博士领导的团队首次成功地在这种装置中实现了两个量子比特之间可控的相互作用。量子计算机需要"量子门"来执行计算。量子门"代表着操纵量子比特并将它们相互耦合的操作。研究人员在《自然-物理》杂志上报告说，他们能够将两个量子比特耦合起来，并根据其中一个量子比特的自旋状态，使另一个量子比特的自旋发生受控翻转这就是所谓的受控自旋翻转。"孔自旋使我们能够创建既快速又高保真的双量子比特门。"库尔曼说："现在，这一原理还使我们有可能将更多的量子位对耦合在一起。"两个自旋量子比特的耦合基于它们之间的交换相互作用，这种相互作用发生在两个静电相互作用的无差别粒子之间。令人惊奇的是，空穴的交换能不仅在电学上是可控的，而且具有很强的各向异性。这是自旋轨道耦合的结果，意味着空穴的自旋状态受其空间运动的影响。为了在模型中描述这一观察结果，巴塞尔大学和 NCCR SPIN 的实验物理学家和理论物理学家联手合作。库尔曼说："各向异性使得双量子比特门成为可能，而无需在速度和保真度之间进行通常的权衡。基于空穴自旋的量子比特不仅可以利用硅芯片久经考验的制造工艺，还具有高度的可扩展性，并在实验中被证明是快速和稳健的。这项研究强调，这种方法在开发大规模量子计算机的竞赛中大有可为。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

量子气体显微镜QUIONE利用开创性的锶显微技术深入研究材料的微观特性

量子气体显微镜QUIONE利用开创性的锶显微技术深入研究材料的微观特性 量子物理学需要高精度传感技术来深入研究材料的微观特性。从最近出现的模拟量子处理器来看，所谓的量子气体显微镜已被证明是在原子层面了解量子系统的强大工具。这些设备可以产生分辨率极高的量子气体图像：它们可以检测到单个原子。现在，ICFO研究人员（西班牙巴塞罗那）Sandra Buob、Jonatan Höschele、Vasiliy Makhalov博士和Antonio Rubio-Abadal博士，在ICFO的ICREA教授Leticia Tarruell的领导下，解释了他们是如何制造出自己的量子气体显微镜的，该显微镜以希腊雪女神命名为QUIONE。该小组的量子气体显微镜是世界上唯一一台对锶量子气体的单个原子进行成像的显微镜，也是西班牙第一台此类显微镜。除了可以分辨单个原子的极具冲击力的图像之外，QUIONE 的目标是量子模拟。正如 ICREA 教授 Leticia Tarruell 所解释的那样："量子模拟可以用来将非常复杂的系统归结为更简单的模型，进而理解当前计算机无法回答的开放性问题，例如为什么有些材料即使在相对较高的温度下也能无损耗地导电"。玻璃池图片，中间为锶气云 图源：ICFOICFO 小组在这一领域的研究获得了国家层面（西班牙皇家物理学会的奖励，以及 BBVA 基金会、Ramón Areces 基金会、La Caixa 基金会和 Cellex 基金会的项目和赠款）和欧洲层面（包括一个 ERC 项目）的支持。此外，作为加泰罗尼亚政府推广量子技术承诺的一部分，QUIONE 还得到了加泰罗尼亚政府通过企业与工作部数字政策秘书处提供的共同资助。这项实验的奇特之处在于，他们成功地将锶气体带入量子态，将其置于光学晶格中，使原子可以通过碰撞产生相互作用，然后应用单原子成像技术。这三个因素加在一起，使 ICFO 的锶量子气体显微镜在同类产品中独一无二。实验室地图和量子模拟器的位置。资料来源：ICFO为什么是锶？迄今为止，这些显微镜装置依赖于锂和钾等碱性原子，与锶等碱土原子相比，锂和钾的光学光谱特性更为简单。这意味着在这些实验中，锶可以提供更多的成分。事实上，近年来，锶的独特性质使其成为量子计算和量子模拟领域非常受欢迎的应用元素。例如，锶原子云可以用作原子量子处理器，从而解决目前经典计算机所无法解决的问题。总之，ICFO 的研究人员看到了锶在量子模拟方面的巨大潜力，他们开始着手制造自己的量子气体显微镜。QUIONE 就是这样诞生的。实验室中的团队。从左至右Sandra Buob、Antonio Rubio-Abadal、Vasiliy Makhalov、Jonatan Höschele 和 Leticia Tarruell。资料来源：ICFO为此，他们首先降低了锶气体的温度。利用几束激光的作用力，原子的速度可以降低到几乎不动的程度，几乎不移动，在短短几毫秒内就能将温度降低到几乎绝对零度。然后，量子力学定律就会支配它们的行为，原子就会显示出量子叠加和纠缠等新特征。之后，在特殊激光器的帮助下，研究人员激活了光晶格，使原子沿着空间排列成网格状。"你可以把它想象成一个鸡蛋盒，其中的各个位置实际上就是你放鸡蛋的地方。但我们用原子代替了鸡蛋，用光学晶格代替了纸盒，"文章的第一作者桑德拉-布布解释说。"蛋杯"中的原子相互影响，有时会发生量子隧道效应，从一个地方移动到另一个地方。原子间的这种量子动力学模拟了某些材料中电子的量子动力学。因此，对这些系统的研究有助于理解某些材料的复杂行为，而这正是量子模拟的关键理念。气体和光学晶格准备就绪后，研究人员立即用显微镜拍摄了图像，终于可以逐个原子地观察锶量子气体了。至此，"QUIONE"的建造工作已经取得了成功，但它的创造者们还想从中获得更多。因此，除了照片之外，他们还拍摄了原子的视频，并能够观察到，虽然原子在成像过程中应该保持静止，但它们有时会跳到附近的晶格部位。这可以用量子隧道现象来解释。"原子从一个位置"跳"到另一个位置。这是非常美丽的景象，因为我们亲眼目睹了原子固有量子行为的直接表现。最后，研究小组利用他们的量子气体显微镜证实，锶气体是一种超流体，一种没有粘性的物质流动的量子相。"我们突然关闭了晶格激光器，这样原子就可以在空间膨胀并相互干涉。由于超流体中原子的波粒二象性，这就产生了干涉图案。"安东尼奥-鲁比奥-阿巴达尔博士解释说："当我们的设备捕捉到它时，我们验证了样品中超流体的存在。""对于量子模拟来说，这是一个非常激动人心的时刻，"ICREA 教授莱蒂西亚-塔鲁埃尔（Leticia Tarruell）说。"现在，我们的量子气体显微镜中又增加了锶，也许不久之后我们就能模拟更复杂、更奇特的材料。新的物质相有望出现。我们还期望获得更强的计算能力，将这些机器用作模拟量子计算机。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

微观奇迹：可能改变量子研究与激光技术的光子拓扑绝缘体

微观奇迹：可能改变量子研究与激光技术的光子拓扑绝缘体 研究中开发的光子拓扑绝缘体效果图。资料来源：伦斯勒理工学院伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究人员制造出了一种比头发丝还细的装置，它将帮助物理学家研究物质和光的基本性质。他们的研究成果发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上，还有助于开发更高效的激光器，这种激光器被广泛应用于医疗和制造等领域。该设备由一种名为光子拓扑绝缘体的特殊材料制成。光子拓扑绝缘体可以引导光子（构成光的波状粒子）进入材料内部专门设计的界面，同时还能防止这些粒子通过材料本身发生散射。由于这一特性，拓扑绝缘体可以使许多光子相干地像一个光子一样行动。这些设备还可用作拓扑"量子模拟器"，即研究人员可以研究量子现象（在极小尺度上支配物质的物理定律）的微型实验室。"我们创造的光子拓扑绝缘体是独一无二的。它能在室温下工作。这是一个重大进步。以前，人们只能使用昂贵的大型设备在真空中对物质进行超冷却，才能研究这种机制。许多研究实验室都没有这种设备，因此我们的设备可以让更多人在实验室里从事这种基础物理研究。"RPI 材料科学与工程系助理教授、《自然- 纳米技术》研究报告的资深作者 Wei Bao 说。Bao补充说："这也是在开发运行所需能量更少的激光器方面迈出的充满希望的一步，因为我们的室温设备阈值（使其工作所需的能量）比以前开发的低温设备低七倍。"RPI 的研究人员利用半导体行业用于制造微芯片的相同技术制造出了他们的新型设备，这种技术包括将不同种类的材料逐个原子、逐个分子地分层，以制造出具有特定性能的理想结构。为了制造这种装置，研究人员在金属卤化物过氧化物（一种由铯、铅和氯组成的晶体）上生长出超薄板，并在上面蚀刻出带有图案的聚合物。他们将这些晶体板和聚合物夹在各种氧化物材料的薄片之间，最终形成了一个厚约 2 微米、长宽均为 100 微米的物体（人类头发的平均宽度为 100 微米）。当研究人员用激光照射该装置时，在材料设计的界面上出现了一个发光的三角形图案。这种图案由装置的设计决定，是激光拓扑特性的结果。"能够在室温下研究量子现象是一个令人兴奋的前景。鲍教授的创新工作表明，材料工程学可以帮助我们回答一些科学上的重大问题，"RPI 工程学院院长 Shekhar Garde 说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：