创新研究引入了一种实用的无模型方法探索材料的拓扑特性

创新研究引入了一种实用的无模型方法探索材料的拓扑特性 阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）和里昂高等师范学院（École Normale Supérieure of Lyon）的研究人员展示了一种识别拓扑结构的无模型方法，从而能够利用纯实验方法发现新型拓扑材料。拓扑学包含一个系统的属性，这些属性不会因任何"平滑变形"而改变。从这一相当正式和抽象的描述中，您或许可以看出，拓扑学最初是数学的一个分支。然而，在过去的几十年里，物理学家已经证明，拓扑学的数学基础可以产生非常真实的后果。从单个电子到大尺度洋流，拓扑效应可以在各种物理系统中找到。举个具体的例子：在量子物质领域，拓扑学因所谓的拓扑绝缘体而声名鹊起。这些材料不会通过其主体导电，但电子会沿着其表面或边缘自由移动。这种表面传导将持续存在，不受材料缺陷的阻碍，只要不做一些剧烈的事情，比如改变材料的整个原子结构。此外，拓扑绝缘体表面或边缘上的电流具有固定的方向（取决于电子自旋），这也是由电子结构的拓扑性质所决定的。确定机械超材料拓扑特性的全实验方法。超材料由转子（刚性旋转杆，红色）网络和弹性弹簧（蓝色）连接而成。通过探测单个转子并测量超材料中产生的运动，就有可能识别出行为类似于单个单元的"机械分子"。随后绘制出每个分子的"极化"图，就能轻松识别超材料的拓扑特征。右下角的图像通过摇晃整个超材料，证实了极化场所预测的软角模式的存在。资料来源：阿姆斯特丹大学。这些拓扑特征可以有非常有用的应用，拓扑学已成为材料科学的前沿领域之一。除了确定自然界中的拓扑材料，平行研究工作还侧重于从底向上设计合成拓扑材料。被称为"超材料"的机械结构的拓扑边缘状态为在导波、传感、计算和滤波方面实现可靠响应提供了无与伦比的机会。由于缺乏研究系统拓扑性质的实验方法，这一领域的研究进展缓慢。将数学模型与物理系统相匹配的必要性限制了我们对已有理论描述的材料的研究，并形成了识别和设计拓扑材料的瓶颈。为了解决这个问题，阿姆斯特丹大学机器材料实验室的郭晓飞和科伦坦-库莱斯与里昂高等师范学院的马塞洛-古斯曼、戴维-卡朋蒂埃和丹尼斯-巴托洛联手合作。郭晓飞说："到目前为止，大多数实验都是为了证明理论或在期刊上展示理论预测。我们找到了一种无需建模就能测量未知机械超材料中受拓扑保护的软点或脆点的方法。我们的方法允许对材料特性进行实际探索和表征，而无需深入研究复杂的理论框架。"研究人员用机械超材料展示了他们的方法，这种超材料由转子（可旋转的刚性杆）网络和弹性弹簧连接而成。这些系统中的拓扑结构可以使这种超材料的某些区域变得特别松软或坚硬。巴托洛解释说："我们意识到，对材料进行局部选择性探测可以为我们提供所有必要信息，揭示结构中的软点或脆点，甚至是远离我们探测的区域。利用这一点，我们开发出了适用于各种材料和超材料的高度实用的协议。"通过探测超材料中的单个转子并跟踪系统中由此产生的位移和伸长，研究人员确定了不同的"机械分子"：作为一个整体运动的转子和弹簧组。与静电系统类似，他们随后根据分子运动计算出了每个分子的有效"极化"。在存在拓扑特征的情况下，这种极化会突然改变方向，从而使固有拓扑结构易于识别。研究人员将他们的方法应用于各种机械超材料，其中一些是以前研究中已知的拓扑结构，而另一些则是没有相关数学模型的新结构。结果表明，实验确定的极化在指出拓扑特征方面非常有效。这种无模型方法不仅限于机械系统，同样的方法也可应用于光子或声学结构。它将使拓扑学为更广泛的物理学家和工程师所接受，并使构建超越实验室演示的功能材料变得更加容易。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

超快定时激光脉冲揭示更多量子材料的独特性能

超快定时激光脉冲揭示更多量子材料的独特性能 光诱导的双极子对极子形成扭曲了准一维原子晶格，在伪间隙的形成过程中发挥了重要作用。资料来源：Steven Burrows/Murnane 和 Kapteyn 小组当电子和声子强烈相互作用时，它们的行为就像"准"粒子，而不是单一的孤立粒子。这些相互作用以极短的时间尺度发生：电子之间的相互作用以飞秒（10-15秒）甚至更快的速度发生，而声子的反应则更慢，在数百飞秒内发生，因为较重的原子比电子移动得更慢。为了研究这些相互作用，科学家通常会改变材料的温度、压力或化学成分，并测量其电学特性，以了解这些相互作用。然而，承载不同相互作用的材料可能会表现出非常相似的特性，这就给精确定位这些相互作用的确切性质带来了挑战。为了克服这个问题，JILA 研究生张颖超与 JILA 研究员 Henry Kapteyn 和 Margaret Murnane 以及科罗拉多大学博尔德分校物理学教授 Rahul Nandkishore 合作，利用一种强大的新方法精确识别量子材料中的声子相互作用，研究成果发表在《纳米快报》（Nano Letters）杂志上。他们利用超精确、定时的激光脉冲和极紫外线脉冲，测量了响应时间，并精确地看到了电子和声子是如何相互作用的。这种方法为更好地控制和操纵量子材料铺平了道路。在这项新研究中，研究人员比较了两种不同材料（(TaSe4)2I 和 Rb0.3MoO3，又称铷蓝青铜）中的电子在受到光的轻微扰动后的反应。这些材料之所以是一维（1D）材料，是因为如相应的图所示，它们沿一个方向具有强键，而在垂直方向上的键较弱。这就迫使电子和声子之间发生强烈的相互作用，使这些材料的特性非常依赖于量子现象。从历史上看，这两种材料都被认为有一个由电子和声子之间的耦合产生的小的绝缘间隙，称为极子。在试图理解极子内部的量子相互作用时，这种绝缘间隙会造成问题，因为要激发材料内部的任何相互作用变得十分困难。然而，与这项实验工作同时进行的斯坦福大学的一项最新研究表明，某些材料中的绝缘间隙可能是由极子相互作用产生双极子（或极子对）而产生的。由于小型双极子与玻色子（一种基本粒子）具有相似的性质，一些专家推测，双极子可能会产生一种玻色-爱因斯坦冷凝物（BEC），这可能是材料超导的一种机制。JILA和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员指出，他们的实验可以在这种双极子情况下自然地得到解释，表明(TaSe4)2I材料是一种双极子绝缘体。Nandkishore解释说："这是一个很好的例子，说明理论与实验的结合可以带来新的见解。"超越材料松弛时间为此，研究小组使用超快激光脉冲温和地激发两种材料中的若干电子。然后，使用波长比可见光短十倍的超快极紫外脉冲来准确观察电子被激发的能量和位置。通过跟踪激发电子的能量和位置，研究人员可以看到 (TaSe4)2I 中双极子熔化成单极子的特征。除了了解是什么相互作用导致了绝缘间隙，研究人员还观察到两种材料的弛豫时间不同。弛豫时间，即材料从应力、热或光中恢复所需的时间，根据材料内部的量子相互作用而变化。在 (TaSe4)2I中，晶格中的原子需要重新排列，因为双极子会熔化成单极子。这个过程大约需要 250 飞秒，然后在 1500 飞秒内缓慢弛豫到双极子基态，如相应的图所示。Nandkishore 补充说："观察激发电子的位置并测量其弛豫时间的能力，为了解这些材料中的微观相互作用提供了新的视角，而传统的实验技术是无法做到这一点的。"相比之下，Rb0.3MoO3 中的电子对光的反应和弛豫时间要快十倍（约 60 飞秒），这清楚地表明，电子之间的相互作用一定是这种一维材料产生绝缘间隙的原因。这种更快的弛豫时间似乎与一种不同的物理学理论（即卢廷格-液体理论）相吻合。在鲁丁格液体中，电子的运动更像是音乐会上的人群，而不是单个的电子。它们彼此强烈互动，形成一种集体行为。这种集体行为使液体像绝缘体一样，拒绝传导电流。这种由 JILA 和科罗拉多大学博尔德分校研究人员展示的新方法还可用于揭示其他材料（如超导体和二维材料）中量子准粒子相互作用的性质。"我们很高兴能够精确探测材料中电子、声子和自旋之间在基本时间尺度上的相互作用，从而揭示这些材料具有其特性的原因，并学习如何操纵它们，"Murnane 说。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态 成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态。霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠，对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子，这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。此外，传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。其无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量，并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。据介绍，此前，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。为解决这一重大挑战，研究团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步，团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时，这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新的手段。在该项工作中，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。《科学》杂志审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”。诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”，这是一个令人印象深刻的实验，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。沃尔夫奖获得者Peter Zoller评价，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就” “实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”。 ... PC版： 手机版：

突破性的全球研究发现21种新型激光材料

突破性的全球研究发现21种新型激光材料 尽管如此，生产有机固态激光器仍具有挑战性，要确定可行的新材料，可能需要进行 15 万次以上的实验，因此充分探索这一领域可能需要花费许多人的一生。事实上，在过去的几十年中，仅有 10-20 种新型 OSL 材料通过了测试。多伦多大学加速联盟的研究人员接受了这一挑战，并利用自驱动实验室（SDL）技术，在几个月内就合成并测试了 1000 多种潜在的 OSL 材料，并发现了至少 21 种性能最佳的 OSL 增益候选材料。SDL 使用人工智能和机器人合成等先进技术来简化新型材料的鉴定过程，这里指的是具有特殊发光特性的材料。迄今为止，SDL 通常局限于一个地理位置的一个物理实验室。发表在《科学》（Science）杂志上的这篇题为《有机激光发射器的异地异步闭环发现》（Delocalized Asynchronous Closed-Loop Discovery of Organic Laser Emitters）的论文，展示了研究团队如何利用分布式实验的概念，即在不同的研究地点分工合作，更快地实现共同目标。来自加拿大多伦多和温哥华、苏格兰格拉斯哥、美国伊利诺伊和日本福冈的实验室参与了这项研究。分布式实验的优势通过这种方法，每个实验室都能贡献自己独特的专业知识和资源这最终为项目的成功发挥了关键作用。这种由云平台管理的分散式工作流程不仅提高了效率，还能快速复制实验结果，最终实现了发现过程的民主化，并加速了下一代激光技术的开发。"这篇论文表明，闭环方法可以去局部化，研究人员可以从分子状态一直深入到设备，你可以加速发现商业化进程中非常早期的材料，"加速联合会主任Alán Aspuru-Guzik博士说。"该团队设计了一个从分子到设备的实验，最终设备在日本制造。这些装置在温哥华进行了放大，然后转移到日本进行表征。"这些新型材料的发现标志着分子光电子学领域的重大进展。它为增强 OSL 器件的性能和功能铺平了道路，并为未来材料科学和自动驾驶实验室领域的脱域发现活动开创了先例。编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1126/science.adk9227 ... PC版： 手机版：

基于钽酸锂的新型光子集成电路技术提高了成本效益和可扩展性

基于钽酸锂的新型光子集成电路技术提高了成本效益和可扩展性 钽酸锂光子集成电路最近，绝缘体上的铌酸锂晶圆平台因其强大的波克尔斯系数而成为光子集成电光调制器的上佳材料。然而，高昂的成本和复杂的生产要求使得铌酸锂无法得到更广泛的应用，限制了其商业集成。钽酸锂（LiTaO3）是铌酸锂的近亲，有望克服这些障碍。钽酸锂（LiTaO3）与铌酸锂的近亲钽酸锂（LiTaO3）有望克服这些障碍。钽酸锂具有类似的优异电光质量，但在可扩展性和成本方面比铌酸锂更具优势，因为它已被电信行业广泛用于 5G 射频滤波器。现在，EPFL 的 Tobias J. Kippenberg 教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的欧欣教授领导的科学家们创建了一种基于钽酸锂的新型 PIC 平台。这种 PIC 充分利用了材料的固有优势，使高质量 PIC 更加经济可行，从而改变了这一领域。这一突破发表在5月8日的《自然》杂志上。研究人员为钽酸锂开发了一种与硅绝缘体生产线兼容的晶片键合方法。然后，他们用类金刚石碳掩蔽了薄膜钽酸锂晶片，并着手蚀刻光波导、调制器和超高品质因数微谐振器。蚀刻是通过结合深紫外线（DUV）光刻技术和干蚀刻技术实现的，这些技术最初是针对铌酸锂开发的，后来经过仔细调整，用于蚀刻硬度更高、惰性更强的钽酸锂。这种调整包括优化蚀刻参数，以尽量减少光损耗，这是实现光子电路高性能的关键因素。利用这种方法，研究小组能够制造出高效率的钽酸锂 PIC，其电信波长的光损耗率仅为 5.6 dB/m。另一个亮点是电光马赫-泽恩德调制器（MZM），这是当今高速光纤通信中广泛使用的一种设备。钽酸锂 MZM 的半波压长积为 1.9 V cm，电光带宽达到 40 GHz。"在保持高效电光性能的同时，我们还在这一平台上生成了孤子微蜂窝，"该研究的第一作者王成利说。"这些孤子微蜂窝具有大量的相干频率，与电光调制功能相结合，特别适用于并行相干激光雷达和光子计算等应用"。钽酸锂 PIC 的双折射（折射率对光的偏振和传播方向的依赖性）降低，可实现密集的电路配置，并确保在所有电信频段都具有广泛的操作能力。这项工作为可扩展、经济高效地制造先进的电子光学 PIC 铺平了道路。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员展示了"挤压"红外光的新方法

研究人员展示了"挤压"红外光的新方法 研究人员已经证明，一种特定类型的氧化物膜可以比块体晶体更有效地限制红外光，这对下一代红外成像技术具有重要意义。这些薄膜膜在压缩波长的同时保持所需的红外频率，从而实现更高的图像分辨率。研究人员利用过渡金属钙钛矿材料和先进的同步加速器近场光谱，表明这些膜中的声子极化子可以将红外光限制在其波长的 10% 以内。这一突破可能带来光子学、传感器和热管理领域的新应用，并可能轻松集成到各种设备中。图片来源：北卡罗来纳州立大学 Yin Liu“薄膜膜保持了所需的红外频率，但压缩了波长，使成像设备能够以更高的分辨率捕捉图像，”该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授 Yin Liu 说道。“我们已经证明，我们可以将红外光限制在其波长的 10% 以内，同时保持其频率 - 这意味着波长循环所需的时间相同，但波峰之间的距离要近得多。块状晶体技术将红外光限制在其波长的 97% 左右。”“这种行为以前只是理论上的，但我们能够通过我们制备薄膜膜的方式和我们对同步加速器近场光谱的新用途首次在实验中证明它，”该论文的共同主要作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授 Ruijuan Xu 说道。为了这项工作，研究人员使用了过渡金属钙钛矿材料。具体来说，研究人员使用脉冲激光沉积在真空室中生长出 100 纳米厚的钛酸锶 (SrTiO3) 晶体膜。这种薄膜的晶体结构质量很高，这意味着它几乎没有缺陷。然后将这些薄膜从生长它们的基底上取下，并放置在硅基底的氧化硅表面上。研究人员随后利用劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的技术，在钛酸锶薄膜暴露于红外光时对其进行同步近场光谱分析。这使研究人员能够在纳米级捕捉到材料与红外光的相互作用。要了解研究人员学到了什么，我们需要讨论声子、光子和极化子。声子和光子都是能量在材料之间传播的方式。声子本质上是由原子振动引起的能量波。光子本质上是电磁能的波。可以把声子看作是声能的单位，而光子是光能的单位。声子极化子是准粒子，当红外光子与“光学”声子（即可以发射或吸收光的声子）耦合时就会产生。“理论论文提出了这样一种观点，即过渡金属钙钛矿氧化物膜将允许声子极化子限制红外光，”刘说。“而我们的工作现在表明，声子极化子确实限制了光子，并且还阻止光子超出材料表面。这项工作建立了一类用于控制红外波长光的新型光学材料，在光子学、传感器和热管理方面具有潜在的应用，想象一下，能够设计出使用这些材料通过将热量转化为红外光来散热的计算机芯片。”“这项工作也令人兴奋，因为我们展示的制造这些材料的技术意味着薄膜可以很容易地与各种各样的基底集成，”徐说。“这应该可以轻松地将这些材料整合到许多不同类型的设备中。”编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：