科学家用纠缠电子构成的准粒子制造人造量子磁体

科学家用纠缠电子构成的准粒子制造人造量子磁体艺术插图描绘了钴-酞菁分子的磁激发，其中纠缠的电子传播成三重子。资料来源：JoseLado/AaltoUniversity"这些材料非常复杂。它们能提供非常令人兴奋的物理学，但最奇特的材料也很难找到和研究。"阿尔托大学原子尺度物理学研究小组组长彼得-利尔耶罗斯教授说："因此，我们正在尝试一种不同的方法，利用单个成分构建人工材料。量子材料受微观层面电子间相互作用的支配。这些电子关联导致了不寻常的现象，如高温超导或复杂磁态，而量子关联又产生了新的电子态。在两个电子的情况下，存在两种纠缠态，即单重态和三重态。向电子系统提供能量可以将其从单重态激发到三重态。在某些情况下，这种激发会以一种称为三重态（triplon）的纠缠波在材料中传播。传统磁性材料中不存在这种激发，因此测量这种激发一直是量子材料领域的一项挑战。在这项新研究中，研究小组利用小型有机分子创造了一种具有不同寻常磁性能的人工量子材料。实验中使用的每个钴-酞菁分子都含有两个前沿电子。德罗斯特说："利用非常简单的分子构件，我们能够以一种前所未有的方式设计和探测这种复杂的量子磁体，揭示其独立部分所不具备的现象。虽然人们早已利用扫描隧道光谱法观测到了孤立原子中的磁激发，但还从未利用传播的三重子完成过这一观测。我们利用这些分子把电子捆绑在一起，把它们装进一个狭小的空间，迫使它们相互作用，从外部观察这样的分子，我们会看到两个电子的联合物理学。因为我们的基本构件现在包含两个电子，而不是一个，所以我们看到的是一种非常不同的物理学。"研究小组首先监测了单个钴-酞菁分子的磁激发，随后监测了分子链和分子岛等较大结构的磁激发。研究人员希望通过从非常简单的现象入手，逐步提高复杂性，从而了解量子材料中的突现行为。在目前的研究中，研究小组可以证明，其构建模块的单三重激发可以作为被称为三重子的奇异磁性准粒子穿越分子网络。"我们的研究表明，我们可以在人造材料中产生奇异的量子磁激发。"这项研究的共同作者之一、阿尔托大学相关量子材料研究小组负责人何塞-拉多（JoseLado）助理教授说："这一策略表明，我们可以合理地设计材料平台，为量子技术开辟新的可能性。"研究小组计划将他们的研究方法扩展到更复杂的构件，以设计量子材料中其他奇异的磁激发和有序化。从简单成分出发进行合理设计，不仅有助于理解相关电子系统的复杂物理，还能为设计量子材料建立新的平台。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379219.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379219.htm

中国科学家发现新磁子态 或可用于芯片和雷达

中国科学家发现新磁子态或可用于芯片和雷达该成果发表在物理学领域旗舰期刊《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）上。论文的标题是《一种与沃克模式强相互作用的光诱导磁子态》（UnveilingaPump-InducedMagnonModeviaItsStrongInteractionwithWalkerModes）。上述消息称，陆卫教授团队的发现，突破了“垄断”该领域长达60多年的“Walkermodes”这一范畴，发掘了新的磁子态，或可在雷达、通讯、信息无线传输等领域使用。新的磁子态1956年，美国新泽西州贝尔电话实验室的工作人员沃克（L.R.Walker）撰写论文，给出了磁性块体空间受限磁子态的数学描述，随后其论文发表，这一磁子态被称为Walkermodes。在随后的60多年中，块体磁性材料中研究的磁子态几乎都属于Walkermodes范畴。电子科技大学物理学院,、电子薄膜与集成器件国家重点实验室严鹏教授等人2023年发表在中文学术期刊《物理学报》上的综述文章《磁子学中的拓扑物态与量子效应》一文介绍，量子化的自旋波称为磁子(magnon)。而自旋波(spinwave)是磁性体系中自旋进动的集体激发态，最早由物理学家布洛赫(Bloch,1952年诺贝尔物理学奖获得者)于1930年提出，用来解释铁磁体自发磁化强度随温度变化的重要规律，随后在1957年被物理学家布罗克豪斯(Brockhouse,1994年诺贝尔物理学奖获得者)采用非弹性中子散射实验所证实。自旋波的波长可以小到几个纳米,能够提高信息的存储密度,有利于磁子器件的微型化和高集成度。而且，自旋波的传输不涉及电子的运动,既可以在磁性金属中传播,也可以在磁性绝缘体中传播,避免了由于焦耳热产生的功耗。每个磁子携带一个约化普朗克常量的自旋角动量，因此，磁子也可以像电子一样承载和传递自旋信息。磁子学的主要目的就是将信息载体替换为自旋波,通过自旋波来进行信息传输和逻辑计算。此前的信息载体是电子的电荷或自旋属性。上海科技大学上述消息称，磁子态是电子自旋应用中的核心概念，它是磁性材料中的自旋集体激发。宏观磁性的起源主要是材料中未配对的电子。电子有两个众所周知的基本属性：电荷与自旋。前者是所有电子器件操控的对象。而自旋，尤其是磁性绝缘体中的自旋，能够完全避免传导电子的欧姆损失，充分发挥自旋长寿命、低耗散的优势，因此对于开发自旋电子学器件意义重大。磁子还可以与超导量子比特相互作用，在量子信息技术中发挥重要作用。最新发表的研究发现，在低磁场下，铁磁绝缘体单晶球在受到强微波激励时，内部的非饱和自旋会获得一定的协同性，产生一个与微波激励信号同频率振荡的自旋波，该自旋波可被命名为“光诱导磁子态（pump-inducedmagnonmode,PIM）”。光诱导磁子态如同一种“暗”态，无法按传统探测方法直接观测，但可通过其与Walkermodes强耦合产生的能级劈裂被间接观察到，并能被激励微波调控。电子的自旋示意图：上自旋（左）和下自旋（右）。来自候鸟的量子力学：自旋、纠缠态与地磁导航》一文。中国科学院高能物理研究所官网关于“电子自旋”的介绍称，出于量子场论的需要，自旋概念被引入。不但电子存在自旋，中子、质子、光子等所有微观粒子都存在自旋，只不过取值不同。自旋和静质量、电荷等物理量一样，也是描述微观粒子固有属性的物理量。自旋为0的粒子像一个圆点：从任何方向看都一样。而自旋为1的粒子像一个箭头：从不同方向看是不同的。自旋不同于自转。中国科学院高能物理研究所微信公众号发布的《候鸟的量子力学：自旋、纠缠态与地磁导航》一文介绍，我们无法从经典的角度来理解自旋。目前的理论和实验都没有发现电子的半径下限，因此电子是被当作点粒子来对待的。根据泡利不相容原理，两个电子不能处在同一个状态上，因此原子核周围的电子一般都是成对分布的，一个原子轨道上可以容纳两个电子，一个自旋向上，一个自旋向下。这两个电子的自旋取向不能相同，处在一种关联的状态，也就是我们通常所说的量子纠缠态。激发态被用于描述原子、分子等吸收能量后，电子被激发到更高能级的状态。此后，电子可能在短时间内向较低能级跃迁，释放出一定的能量，比如释放出光子，或返回基态。不存在电子噪声，可用于雷达精准探测上海科技大学上述消息称，芯片的研发主要遵循着摩尔定律，即每18个月到两年间，芯片的性能会翻一倍。然而，随着人类社会逐渐步入后摩尔时代，一味降低芯片制程受到了“极限挑战”。处理器性能翻倍的时间延长，“狂飙”的发展势头遇到了技术瓶颈。在市场需求驱动下，人们迫切需要“新鲜血液”的注入，来激活低功耗、高集成化、高信息密度信息处理载体的出路。基于磁性材料发展建立的自旋电子学以及磁子电子学发展迅猛，为突破上述限制提供了出路。研究团队还发现，最新发表的光诱导磁子态具有丰富的非线性，这种非线性会产生一种磁子频率梳。频率梳（上）。非线性磁振子-斯格明子散射(magnon-skyrmionscattering)产生自旋波频率梳示意图。来自《MagnonicFrequencyCombthroughNonlinearMagnon-SkyrmionScattering》。相较于微波谐振电路中产生的频率梳，这一新型频率梳不存在电子噪声，因此，有望在信息技术中实现超低噪声的信号转换。“常规磁子强耦合态依赖于谐振腔才能构建……我们则摆脱了这一依赖，通过外加微波诱导，即可产生磁子强耦合态。这样的开放边界下的耦合态有望像乐高一样有序组合，获得丰富的功能性。”团队负责人陆卫教授表示。陆卫表示，“我们发现的频率梳在微波频段，这是雷达、通讯、信息无线传输使用的频段，可以预测，我们的频率梳必然能在这些领域中发挥作用。”陆卫解释，频率梳就像是一把游标卡尺，能够对频谱上的风吹草动进行精准的测量。此前人们发现的光学频率梳（光频梳）就在原子钟、超灵敏探测中展现了令人惊叹的精度。该研究工作由上海科技大学、中国科学院上海技术物理研究所和华中科技大学三家单位共同完成，上海科技大学为第一完成单位。论文第一作者是上科大物质学院助理研究员饶金威，通讯作者是上科大物质学院陆卫教授、中科院上海技物所姚碧霂副研究员和华中科技大学于涛教授。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.046705...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1348997.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1348997.htm

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

科学家通过外尔反铁磁体研究揭开了“霍尔效应”的物理学之谜

科学家通过外尔反铁磁体研究揭开了“霍尔效应”的物理学之谜在2022年8月18日发表于《自然·物理学》期刊上的一篇文章中，一支跨国研究团队详细介绍了在存储设备中使用“反铁磁”材料的最新进展。据悉，antiferromagnets特指具有“由电子自旋引起内部磁场、但又没有外部（远距）磁场”的一种特殊材料。得益于此，数据存储单元（比特位）有望在材料内部实现更致密的封装。研究配图1-Mn₃Sn反手性磁结构/磁化压电控制一方面，传统磁存储器中的铁磁体，需要避免相邻数据位（bit）的互相干扰，因而难以做到更加致密的封装。另一方面，若利用由EdwinHall在1879年发现的霍尔效应（HallEffect），则能够在反铁磁材料上施加垂直于电流方向的电压。研究配图2-拓补反磁体Mn₃Sn在面内单轴压缩下的压磁效应当反磁体中的所有自旋都翻转时，霍尔电压的符号也会随时改变——这样就可分别代表二进制比特位的“0”或“1”数值。尴尬的是，尽管科学家们早就知晓了铁磁材料中的霍尔效应，但直到最近，大家才认可了它在反铁磁体中的效应、且知之甚少。研究配图3-Weyl反铁磁体的AHE/在面内单轴应变下的符号反转好消息是，来自日本东京大学、美国康奈尔大学、约翰·霍普金斯大学、以及英国伯明翰大学的联合研究团队，刚刚对Weyl反铁磁体（Mn₃Sn）中的“霍尔效应”的最新解释。据悉，该材料具有特别强的自发霍尔效应。而近日发表于《自然·物理学》期刊上的新论文，不仅对铁磁体/反铁磁体研究领域产生了深远的影响、还引发了我们对下一代存储设备的新思考。研究配图4-ferrohalic、parahallic和diahallic状态下/霍尔矢量K的不同应变控制作为一种“外尔半金属”，Mn₃Sn并不是完美的反铁磁体，且它具有微弱的外部磁场。在此基础上，研究人员试图搞清霍尔效应是否由这种弱磁场引起。实验期间，科学家们使用了由研究合著者、来自伯明翰大学CliffordHicks博士设计的装置——该装置可用于向被测量材料提供可变的应力。扩展数据图-1：室温下反铁磁体中异常霍尔效应的压电转换通过将这种应力施加到外尔反铁磁体上，剩余的外部磁场就会有所增加。若霍尔效应由磁场驱动，那材料上的电压就会产生相应的影响。然而事实表明，电压并未发生实质性的变化，证明了磁场并未在其中扮演重要的角色。相反，研究得出了另一个结论，即材料内旋转电子的排列、才是产生霍尔效应的主因。CliffordHicks表示：“实验证明了霍尔效应是由传导电子与其自旋电子的量子相互作用引发，这一发现对于我们深入了解和改进磁存储技术都至关重要”。有关这项研究的详情，还请移步至《NaturePhysics》查看，原标题为《PiezomagneticswitchingoftheanomalousHalleffectinanantiferromagnetatroomtemperature》。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1311965.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1311965.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

科学家实现在磁铁内捕捉光线

科学家实现在磁铁内捕捉光线科学家们发现，在某些磁性材料中捕获光线可以显著增强其固有特性。他们的研究考察了一种能够容纳强大激子的特定层状磁体，使其能够独立捕获光线。这种材料对磁性发生的光学反应明显强于普通磁体。梅农和他的团队在8月16日发表在《自然》（Nature）杂志上的新文章中详细介绍了一种层状磁体的特性，这种磁体承载着强结合激子--具有特别强光学相互作用的准粒子。正因为如此，这种材料能够独自捕获光线。正如他们的实验所显示的那样，这种材料对磁现象的光学响应要比典型磁体的光学响应强几个数量级。被困在磁性晶体内部的光能强烈增强其磁光相互作用。资料来源：RezlindBushati这项研究的主要作者弗洛里安-迪恩伯格（FlorianDirnberger）博士说："由于光线在磁体内部来回反弹，相互作用得到了真正的增强。举个例子，当我们施加外部磁场时，光的近红外反射会发生很大变化，材料基本上会改变颜色。这是一种相当强烈的磁光响应。"梅农说："通常情况下，光对磁的反应不会如此强烈。这就是为什么基于磁光效应的技术应用往往需要实施灵敏的光学检测方案。"关于这些进展如何造福于普通人，研究报告的合著者全嘉敏指出："当今磁性材料的技术应用大多与磁电现象有关。鉴于磁和光之间如此强烈的相互作用，我们现在可以希望有一天能制造出磁性激光器，并可能重新考虑光控磁存储的旧概念。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378245.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378245.htm