剑桥科学家在新型二维材料中实现了长期追求的量子态稳定性

剑桥科学家在新型二维材料中实现了长期追求的量子态稳定性卡文迪什实验室的研究人员在六方氮化硼（hBN）中发现了原子缺陷在环境条件下的自旋相干性，这是量子材料领域的一项罕见成就。这项发表在《自然-材料》（NatureMaterials）上的研究强调，这些自旋可以用光来控制，对未来的量子技术（包括传感和安全通信）具有广阔的前景。研究结果还强调了进一步探索提高缺陷可靠性和延长自旋存储时间的必要性，凸显了氢化硼在推进量子技术应用方面的潜力。资料来源：埃莉诺-尼科尔斯，卡文迪什实验室自旋相干性是指电子自旋能够长期保持量子信息。这一发现意义重大，因为能够在环境条件下承载量子特性的材料相当罕见。发表在《自然-材料》（NatureMaterials）上的研究结果进一步证实，室温下可获得的自旋相干性比研究人员最初想象的要长。论文共同作者、卡文迪什实验室Rubicon博士后研究员CarmemM.Gilardoni说："研究结果表明，一旦我们在这些电子的自旋上写入某种量子态，这种信息就能存储约百万分之一秒，从而使这一系统成为一个非常有前景的量子应用平台。""这看起来似乎很短，但有趣的是，这个系统并不需要特殊的条件--它甚至可以在室温下存储自旋量子态，而且不需要大型磁铁"。六方氮化硼（hBN）是一种由一原子厚的层堆叠而成的超薄材料，有点像纸张。这些层通过分子间的作用力固定在一起。但有时，这些层内会出现"原子缺陷"，类似于晶体内部夹杂着分子。这些缺陷可以通过明确的光学转变吸收和发射可见光范围内的光，还可以作为电子的局部陷阱。由于hBN中存在这些"原子缺陷"，科学家们现在可以研究这些被困电子的行为方式。他们可以研究电子与磁场相互作用的自旋特性。真正令人兴奋的是，研究人员可以在室温下利用这些缺陷中的光来控制和操纵电子自旋。这一发现为未来的技术应用，尤其是传感技术的应用铺平了道路。不过，由于这是首次有人报告该系统的自旋相干性，因此在其成熟到足以用于技术应用之前，还有很多问题需要研究。科学家们仍在研究如何使这些缺陷变得更好、更可靠。他们目前正在探究我们能在多大程度上延长自旋存储时间，以及我们能否优化对量子技术应用非常重要的系统和材料参数，如缺陷的长期稳定性和该缺陷发出的光的质量。"与这一系统的合作向我们彰显了材料基础研究的力量。至于hBN系统，作为一个领域，我们可以在其他新材料平台中利用激发态动力学，用于未来的量子技术。"论文第一作者HannahStern博士说，她在卡文迪什实验室进行了这项研究，现在是英国皇家学会大学研究员兼曼彻斯特大学讲师。未来，研究人员将进一步开发该系统，探索从量子传感器到安全通信等多个不同方向。"每一个新的有前途的系统都将拓宽可用材料的工具包，而朝着这个方向迈出的每一步都将推动量子技术的可扩展实施。这些成果证实了层状材料有望实现这些目标，"领导该项目的卡文迪什实验室主任梅特-阿塔图雷（MeteAtatüre）教授总结道。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432414.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432414.htm

研究人员实现“kagome”量子材料中电子自旋的首次测量

研究人员实现“kagome”量子材料中电子自旋的首次测量科学家的国际合作取得了成功，物理和天文学系“AugustoRighi”教授DomenicoDiSante参与了博洛尼亚大学的居里夫人BITMAP研究项目。CNR-IOMTrieste、Ca'Foscari威尼斯大学、米兰大学、维尔茨堡大学（德国）、圣安德鲁斯大学（英国）、波士顿学院和加州大学圣巴巴拉分校（美国）的同事也加入了他的行列).通过先进的实验技术，利用粒子加速器同步加速器产生的光，以及对物质行为进行建模的现代技术，学者们首次能够测量与拓扑概念相关的电子自旋。电子在其上移动的表面的三个视角。左边是实验结果，中间是理论模型，右边是理论模型。红色和蓝色代表电子速度的量度。理论和实验都反映了晶体的对称性，与日本传统“kagome”篮子的质地非常相似。图片来源：博洛尼亚大学“如果我们拿两个物体，例如足球和甜甜圈，我们会注意到它们的特定形状决定了不同的拓扑特性，例如，因为甜甜圈有洞，而足球没有，”DomenicoDiSante解释道。“同样，电子在材料中的行为受到某些量子特性的影响，这些量子特性决定了它们在其中发现的物质中的旋转，类似于宇宙中光的轨迹如何被恒星、黑洞、黑暗的存在所改变物质和暗能量，它们可以弯曲时间和空间。”尽管电子的这一特性早已为人所知多年，但直到现在还没有人能够直接测量这种“拓扑自旋”。为实现这一目标，研究人员利用了一种称为“圆二色性”的特殊效应：一种只能与同步加速器源一起使用的特殊实验技术，它利用材料根据其偏振吸收不同光的能力。学者们特别关注“kagome材料”，这是一类量子材料，因其类似于构成日本传统篮子的交织竹线编织（实际上称为“kagome”）而得名。这些材料正在彻底改变量子物理学，所获得的结果可以帮助我们更多地了解它们特殊的磁性、拓扑和超导特性。“由于实验实践和理论分析之间的强大协同作用，这些重要结果成为可能，”DiSante补充道。“该团队的理论研究人员采用了复杂的量子模拟，只有使用强大的超级计算机才有可能，并以这种方式将他们的实验同事引导到可以测量圆二色性效应的材料的特定区域。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366003.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366003.htm

开创性的实验方法揭开了二维材料中自旋结构的秘密

开创性的实验方法揭开了二维材料中自旋结构的秘密研究人员发现了一种新的实验技术来研究二维量子材料中的电子自旋特性，克服了一个长期的挑战，并有可能使基于这些材料的先进计算和通信技术得到发展。资料来源：李佳/布朗大学阻碍科学家们测量电子自旋的典型方法--一种使物理宇宙中的一切具有结构的基本行为--通常在二维材料中不起作用。这使得充分了解这些材料并推动基于它们的技术进步变得异常困难。但是由布朗大学研究人员领导的一个科学家团队认为他们现在有办法解决这一长期的挑战。他们在5月11日发表在《自然-物理》杂志上的一项新研究中描述了他们的解决方案。在这项研究中，该团队--其中还包括来自桑迪亚国家实验室综合纳米技术中心和因斯布鲁克大学的科学家--描述了他们认为是第一次显示二维材料中旋转的电子与来自微波辐射的光子之间直接互动的测量。据研究人员称，电子对微波光子的吸收被称为耦合，它建立了一种新的实验技术，用于直接研究电子在这些二维量子材料中如何旋转的特性--这种技术可以作为开发基于这些材料的计算和通信技术的基础。"自旋结构是量子现象中最重要的部分，但我们从来没有真正在这些二维材料中直接探测过它，"布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者李佳说。"这一挑战使我们在过去20年里无法从理论上研究这些迷人的材料中的自旋。我们现在可以用这种方法来研究很多以前无法研究的不同系统。"研究人员在一种相对较新的二维材料上进行了测量，这种材料被称为"魔角"扭曲双层石墨烯。这种基于石墨烯的材料是在两片超薄的碳层堆叠并扭曲到恰到好处的角度时产生的，将新的双层结构转化为一种超导体，使电力流动没有阻力或能量浪费。2018年刚刚发现，研究人员专注于这种材料，因为围绕它的潜力和神秘感。"2018年提出的很多重大问题仍未得到解答，"领导这项工作的布朗大学Li实验室的研究生ErinMorissette说。物理学家通常使用核磁共振或NMR来测量电子的自旋。他们通过使用微波辐射激发样品材料的核磁特性，然后读取这种辐射引起的不同特征来测量自旋。二维材料所面临的挑战是，电子对微波激发的磁性特征太小，无法检测。该研究小组决定随机应变。他们没有直接检测电子的磁化，而是使用布朗大学分子和纳米创新研究所制造的设备测量电子电阻的细微变化，这些变化是由辐射的磁化变化引起的。电子电流流动的这些细微变化使研究人员能够使用该设备检测电子正在吸收微波辐射的照片。研究人员能够从实验中观察到新的信息。例如，研究小组注意到，光子和电子之间的相互作用使该系统某些部分的电子表现得像在反铁磁系统中一样--这意味着一些原子的磁性被一组以相反方向排列的磁性原子所抵消了。研究二维材料中自旋的新方法和目前的发现不会适用于今天的技术，但研究小组看到了该方法在未来可能导致的潜在应用。他们计划继续将他们的方法应用于扭曲的双层石墨烯，但也将其扩展到其他二维材料。Morissette说："这是一个真正多样化的工具集，我们可以用它来获取这些强相关系统中电子秩序的一个重要部分，并在总体上理解电子在二维材料中的行为。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1360033.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1360033.htm

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-ShenOng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-ShenOng。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-ShenOng说。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1417027.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1417027.htm

MIT工程师发现控制原子核为 "量子比特"的新方法

MIT工程师发现控制原子核为"量子比特"的新方法今天最大的量子计算机只配备了几百个"量子比特"，即数字比特的量子等价物。图中说明了两束波长稍有不同的激光束可以影响原子核周围的电场，以一种推动该电场的方式，将原子核的自旋推向一个特定的方向，如箭头所示。现在，麻省理工学院的研究人员提出了一种新的方法来制造量子比特并控制它们读写数据。这种方法在现阶段是理论性的，它基于测量和控制原子核的自旋，使用来自两个颜色略有不同的激光器的光束。麻省理工学院博士生HaoweiXu、教授JuLi和PaolaCappellaro以及其他四人在《物理评论X》杂志上发表的一篇论文中描述了这些发现。长期以来，核自旋被认为是基于量子的信息处理和通信系统的潜在构件，而光子也是如此，它是电磁辐射的不连续包，或"量子"的基本粒子。但是哄骗这两个量子物体一起工作是很困难的，因为原子核和光子几乎没有互动，而且它们的自然频率相差六到九个数量级。在麻省理工学院团队开发的新工艺中，进入的激光束的频率差异与核自旋的过渡频率相匹配，促使核自旋以某种方式翻转。核科学与工程系教授卡佩拉罗说："我们已经找到了一种新的、强大的方法，将核自旋与来自激光的光子对接起来。这种新的耦合机制使它们的控制和测量成为可能，这使得使用核自旋作为量子比特成为更有前途的努力。"研究人员说，这个过程是完全可调整的。例如，其中一个激光器可以被调谐到与现有电信系统的频率相匹配，从而将核自旋变成量子中继器，实现长距离的量子通信。以前尝试用光来影响核自旋是间接的，而是耦合到该核周围的电子自旋，这反过来又会通过磁相互作用影响核。但这需要附近存在未配对的电子自旋，并导致核自旋的额外噪音。对于新方法，研究人员利用了许多核具有电四极的事实，这导致了与环境的电核四极互动。这种相互作用可以受到光的影响，以改变核本身的状态。"核自旋通常是相当弱的相互作用，"李说。"但是通过利用一些核具有电四极的事实，我们可以诱发这种二阶的非线性光学效应，直接耦合到核自旋，而没有任何中间的电子自旋。这使我们能够直接操纵核自旋"。除其他事项外，这可以允许精确识别甚至绘制材料的同位素，而拉曼光谱，一种基于类似物理学的成熟方法，可以识别材料的化学和结构，但不能识别同位素。研究人员说，这种能力可能有许多应用。至于量子存储器，目前正在使用或考虑用于量子计算的典型设备的相干时间--意味着存储的信息可以可靠地保持完整的时间--往往是以一秒钟的小数点来衡量。但在核自旋系统中，量子相干时间是以小时来衡量的。该团队说，由于光学光子被用于通过光纤网络进行长距离通信，因此将这些光子直接耦合到量子存储器或传感设备的能力可以为新的通信系统提供巨大的好处。此外，这种效应可以被用来提供一种将一组波长转换为另一组波长的有效方法。徐说："我们正在考虑使用核自旋进行微波光子和光学光子的转换，"他补充说，这可以为这种转换提供比其他方法更大的保真度。到目前为止，这项工作是理论上的，所以下一步是在实际的实验室设备中实现这一概念，可能首先是在一个光谱系统中。徐说："这可能是原则性验证实验的一个很好的候选者。他说，在此之后，他们将解决量子设备，如存储器或转导效应。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349317.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349317.htm

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NCCRSPIN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：NCCRSPIN2022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（AndreasKuhlmann）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NCCRSPIN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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432321.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432321.htm