研究人员成功实现利用超导体掌握芯片上的自旋波

研究人员成功实现利用超导体掌握芯片上的自旋波这些磁体中的微小自旋波可能在未来成为电子器件的替代品，对节能信息技术或量子计算机中的连接部件等很有意义。这一突破发表在《科学》杂志上，主要让物理学家对磁体和超导体之间的相互作用有了新的认识。"自旋波是磁性材料中的波，我们可以利用它来传输信息，"领导这项实验的迈克尔-博斯特解释说。"由于自旋波可以成为替代电子产品的高能效构件，科学家们多年来一直在寻找控制和操纵自旋波的有效方法"。""早有预言金属电极可以控制自旋波，但直到现在，物理学家几乎还没有在实验中看到这种效果。"量子纳米科学系副教授ToenovanderSar说："我们研究团队的突破在于，我们证明了如果使用超导电极，确实可以正确控制自旋波。"其工作原理如下：自旋波产生磁场，磁场又在超导体中产生超电流。超电流就像自旋波的一面镜子：超导电极将磁场反射回自旋波。超导镜面使自旋波上下移动的速度更慢，从而使自旋波易于控制。当自旋波经过超导电极时，它们的波长会完全改变，只要稍微改变电极的温度，我们就能非常精确地调节变化的幅度。实验插图。图中显示了薄磁层上的两个金电极。中间是一个超导电极。研究人员用左边的金电极在磁性材料中产生自旋波，自旋波向右边传播。电极顶部是一个方形钻石膜，研究人员可以通过它看到超导电极。资料来源：代尔夫特理工大学MichaelBorst"我们首先铺设了一层薄薄的钇铁石榴石（YIG）磁层，它被称为地球上最好的磁铁。我们在上面铺设了一个超导电极和另一个电极来诱导自旋波。通过冷却到零下268度，我们让电极进入了超导状态，"范德萨说。"令人惊奇的是，自旋波随着温度的降低变得越来越慢。这让我们有了操纵自旋波的独特方法；我们可以让自旋波偏转、反射、共振等等。但这也让我们对超导体的特性有了新的认识。"研究人员钻石中的电子作为自旋波磁场的传感器，对自旋波进行成像，这对实验至关重要。它最酷的地方在于可以透过不透明的超导体观察下面的自旋波，就像核磁共振扫描仪可以透过皮肤观察人的身体一样。""自旋波技术仍处于起步阶段，"博斯特说。"例如，要利用这种技术制造高能效计算机，我们首先必须开始构建小型电路来执行计算。我们的发现打开了一扇门：超导电极可以实现无数新的高能效自旋波电路"。范德萨补充说："我们现在可以设计基于自旋波和超导体的设备，这些设备产生的热量和声波都很少。想想自旋电子学版的频率滤波器或谐振器吧，这些元件可以在手机的电子电路中找到。或者可以作为量子计算机中量子位之间的晶体管或连接器的电路。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393793.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393793.htm

超导突破：科学家发现量子物质的新状态

超导突破：科学家发现量子物质的新状态这种"自旋三重电子对晶体"是一种以前未知的拓扑量子物质状态。这一发现最近发表在《自然》杂志上。顾强强是在文理学院詹姆斯-吉尔伯特-怀特杰出荣誉教授、物理学家J.C.SéamusDavis实验室工作的博士后研究员，他与科克大学学院的乔-卡罗尔和牛津大学的王树秋共同领导了这项研究。当配对电势呈现奇奇偶性时，超导体就是拓扑超导体，这会导致每个电子对采用自旋三重态，两个电子自旋的方向相同。顾强强介绍说，拓扑超导体是物理学家们热衷研究的对象，因为从理论上讲，它们可以构成超稳定量子计算机的材料平台。然而，即使对拓扑超导进行了长达十年的深入研究，除了同样在康奈尔大学发现的超流体3He之外，还没有任何块体材料被明确认定为自旋三奇偶超导体。最近，一种奇特的新材料--二碲化铀（UTe2）成为这种分类的极有希望的候选者。然而，它的超导阶参数仍然难以捉摸。2021年，理论物理学家开始提出，UTe2实际上处于拓扑对密度波（PDW）状态。此前从未探测到过这种形式的量子物质。简单地说，拓扑对密度波就像超导体中的成对电子的静态舞蹈，但这些成对电子在空间中形成周期性的晶体图案。"我们康奈尔大学的团队在2016年利用我们为此发明的超导尖端扫描约瑟夫森隧穿显微镜发现了有史以来观测到的第一个PDW，"顾说。"从那时起，我们开创了在毫开尔文温度和微伏能量分辨率下的SJTM研究。在UTe2项目中，我们直接观察到了超导配对势在原子尺度上的空间调制，并发现它们的调制完全符合PDW状态下电子对密度在空间周期性调制的预测。我们探测到的是一种新的量子物质态--由自旋-三重库珀对组成的拓扑对密度波"。库珀对密度波是电子量子物质的一种形式，其中电子对凝固成超导PDW态，而不是形成传统的"超导"流体，在这种流体中，所有电子对都处于相同的自由运动状态。顾强强说："在自旋三重超导体中首次发现PDW令人兴奋。铀基重费米子超导化合物是一类新颖奇特的材料，为实现拓扑超导提供了一个前景广阔的平台。......我们的科学发现还指出了这种有趣的量子态在s波、d波和p波超导体中无处不在的性质，并为在广泛的材料中识别这种状态提供了新的途径。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380305.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380305.htm

创造新的物质状态 - 研究人员发明了两种新型超导技术

创造新的物质状态-研究人员发明了两种新型超导技术研究人员通过一次排列一个原子的方法，成功地制造出了新型超导体，这有可能促进创新材料的开发和量子计算的进步。这项研究为克服天然材料的局限性提供了一种可行的方法，为未来电子和计算技术中的新型物质状态铺平了道路。未来的计算机是什么样的？它将如何工作？寻找这些问题的答案是基础物理研究的主要动力。从经典电子学的进一步发展到神经形态计算和量子计算机，有几种可能的方案。所有这些方法的共同点是，它们都基于新颖的物理效应，其中有些效应迄今为止只能在理论上预测。研究人员不遗余力地使用最先进的设备来寻找新的量子材料，以便创造出这种效应。但是，如果没有天然存在的合适材料怎么办？在最近发表于《自然-物理》（NaturePhysics）的一项研究中，UZH教授提图斯-诺伊佩特（TitusNeupert）的研究小组与位于德国哈勒（Halle）的马克斯-普朗克微结构物理研究所（MaxPlanckInstituteofMicrostructurePhysics）的物理学家密切合作，提出了一种可能的解决方案。研究人员自己一个原子一个原子地制造所需的材料。他们的研究重点是新型超导体，这种超导体特别有趣，因为它们在低温下电阻为零。超导体有时被称为"理想二磁体"，由于其与磁场的非凡相互作用，被许多量子计算机所采用。理论物理学家花了多年时间研究和预测各种超导状态。诺伊佩特教授说："然而，到目前为止，只有少数超导状态在材料中得到了确证。"在他们令人兴奋的合作中，哈佛大学的研究人员从理论上预测了原子应该如何排列才能产生新的超导相，德国的研究小组随后进行了实验，以实现相关的拓扑结构。他们利用扫描隧道显微镜，以原子精度将原子移动并沉积到正确的位置。同样的方法还用于测量系统的磁性和超导特性。通过在超导铌表面沉积铬原子，研究人员创造出了两种新型超导电性。类似的方法以前也曾用于操纵金属原子和分子，但直到现在，这种方法还不可能制造出二维超导体。这些结果不仅证实了物理学家们的理论预测，还让他们有理由推测用这种方法还能制造出哪些新的物质状态，以及它们如何被用于未来的量子计算机。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385313.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385313.htm

全球热议“室温超导”新突破 一场新的能源革命要来了？

全球热议“室温超导”新突破一场新的能源革命要来了？一对金刚石砧之间加压时，一种由氢、碳和硫组成的新型金属化合物在21摄氏度下表现出超导性可以预见，一旦常温超导体技术成熟应用，一个高效率机器、超灵敏仪器和革命性电子产品的新技术时代即将到来，届时或将引发一场新的能源革命。迪亚兹团队通过实验，创造出了一种在室温和相对较低压力的可在实际条件（Practicalconditions）下工作的“超导体”。该超导体由氢、氮和镥（Lu-N-H）三种金属元素材料混合、放置在“金刚石压砧”装置中加压，在约21℃温度下、以及1万个标准大气压的压力下进入超导状态，失去了对电流的阻力，从而实现这种新型超导体在室温环境中应用的可能。（注：人类已经可以在5-6万个大气压下合成钻石）同时，3月9日凌晨，该研究成果发表在英国《自然》杂志上，题目为《N掺杂氢化镥中近环境超导性的证据》。时间戳显示，这篇论文在2022年8月投出，今年1月18日被Nature接收。这意味着，未来在常规条件下，这种“超导体”有望应用于飞行器、量子计算机、磁悬浮交通、超导医疗、核聚变反应堆“磁封闭体”、超导重力模拟等诸多场景中。人类向着长久以来希望创造出具有最优效率电力系统的目标又迈近了一步。可以预见，一旦常温超导体技术成熟应用，一个高效率机器、超灵敏仪器和革命性电子产品的新技术时代即将到来，届时或将引发一场新的能源革命。该消息传开，全球都在热议，相关问题已直接冲上知乎热搜第一，Reddit话题热度也在攀升。“这是可用于实际应用的新型材料的开端，”迪亚兹表示，这将是一项重塑21世纪的革命性技术。有了这种技术，人类就将进入一个超导社会，你将不再需要电池之类的东西，这些材料“绝对可以改变我们所知道的世界”。不过，由于该团队在2020年10月发表的一篇类似论文受到质疑，最终导致英国《自然》杂志撤稿，这表明迪亚兹的这一新研究成果仍可能将面临学术界人士的质疑。美国双周刊科学杂志ScienceNews认为，这项研究可能会面受到非常严格的审查。随后，迪亚兹（RangaDias）3月9日对媒体表示，已多次重复实验，有信心过审，对其团队此次的全新发现充满信心，但他同时还指出，“要将我们对室温超导新材料的发现应用到任何规模的现实世界中，还需要几年的艰苦工作。”一位国内的大学物理教授王利（化名）告诉钛媒体App，这个实验结果对于凝聚态物理的意义远大于超导实用技术，它发现了个新的途径去寻找高温超导材料。另一位行业人士称，“高压常温超导很难商业化”。从资本市场看，截至钛媒体App发稿前，“超导”板块个股集体高开。永鼎股份、百利电气、法尔胜一字涨停，宝胜股份（维权）、西部超导、西部材料涨超5%，东方坦业、联创光电、汉缆股份等跟涨。那么，美国科学家团队重提“室温超导”，这回能获科学界认可吗？百年超导研究之路一个多世纪以来，室温超导一直是材料科学领域的研究热点。从字面意思上，超导就是超级导电之意。根据导电性能，可以将物质分为导体、半导体和绝缘体。其中在导体中，存在大量可以自由移动的带电粒子，它们可以在外电场的作用下自由移动，形成电流。超导体是在一定温度（定义为超导临界温度）之下电阻为零。尽管严格意义上的零电阻无法测量出来，但多个实验表明，超导材料的电阻率要比导电性最好的金属如银、铜、金、铝等要整整低了10个数量级。一块磁铁悬浮在一个用液氮冷却的超导体上这意味着，在闭合超导线圈中感应出1A的电流，需要近一千亿年才能衰减掉，比我们宇宙的年龄138亿年还要长。因此，我们有充分的理由认为超导态下电阻为零。1911年，荷兰物理学家海克·卡曼林·昂尼斯（HeikeKamerlinghOnnes）发现，把汞冷却到-269摄氏度时电阻会突然消失，电子会在其中无阻碍地运动。后来，他又注意到许多金属和合金都具有与汞相类似的特性，他将这种特殊的导电性能称之为“超导态”——这是人类首次发现超导现象。昂尼斯因研究物质在低温下的性质，并制出液态氦而荣获1913年诺贝尔物理学奖。此后的一个多世纪中，新的超导材料相继被发现，一波接一波冲击更高的超导临界转变温度，每次发现都推动着科学家投身相关的研究热潮：1957年，第一个真正能描述超导现象的BCS理论诞生，由美国科学家JohnBardeen、LeonCooper和JohnSchrieffer基于“波粒二象性”建立。他们认为，金属外层自由电子在有电压时，会流经晶格点阵形成电流，但通常情况下，这种晶格点阵有缺陷，会因热振动使电流产生阻碍；1986年，瑞士苏黎世IBM公司的柏诺兹和缪勒在铜氧化物体系发现了35K的超导；2008年2月，日本科学家发现铁砷化物体系中存在26K的超导电性；在中国科学家的努力下，这类材料的超导临界温度很快就突破了40K，在块体材料中实现了55K的高温超导电性。而高于40K以上的超导体又被称之为高温超导体，铜氧化物和铁基超导体，是目前发现了仅有的两大高温超导家族。2016年，英国爱丁堡大学E．Gregoryanz等人在325GPa获得了氢的一种“新固态”，认为可能是金属氢，论文发表在《自然》杂志。同年6月，德国科学家在arXiv贴出了关于石墨晶体中存在350K超导迹象的论文，样品来自巴西某矿产的石墨晶体。但理论上，石墨烯中是否存在室温超导电性，一直以来是争议的一个焦点之一，而论文的“超导证据”只是电阻在350K存在一个轻微的下降，并会响应磁场的变化，专家认为这可能和超导关系不大。2017年，美国哈佛大学研究团队宣布在495GPa下实现了金属氢，他们观测氢在压力不断增加过程中，从透明氢分子固体，到黑色不透明的半导体氢，最终到具有金属反光的金属氢，论文发表在《科学》杂志。严格来说，判断一个材料是否属于超导体，必须有两个独立的电磁特性判据：1．是否具有绝对零电阻；2．是否具有完全抗磁性。后者由德国科学家沃尔特·迈斯纳（WaltherMeissner）等发现，又称为“迈斯纳效应”，即磁场下超导体具有“完全抗磁性”，其内部磁感应强度B为零。超导体对人们生产生活的意义重大。实际上，应用电子技术都基于有电阻的电路，大量能源因普通导体存在电阻而转变为热量白白损耗。而实现室温超导有望使电能极少转变为热量，从而提升导体和装置的效率，极大地推动现有电子技术的发展，让更多精细电子元件可以应用到人类生活中。中科院物理研究所罗会仟在一篇文章中提到，超导输电可以节约目前高压交流输电技术中15%左右的损耗，超导变压器、发电机、电动机、限流器以及储能系统可以实现高效的电网和电机。利用超导线圈制作的超导磁体具有体积轻小、磁场高、均匀性好、耗能低等优势，是高分辨核磁共振成像、基础科学研究、人工可控核聚变等关键技术的核心。利用超导体材料特性应用的磁悬浮列车磁悬浮列车就利用了超导体特性。超导线圈可以承载很大的电流，成为强大的超导磁体。列车和轨道上分别装备有超导磁体。当存在外磁场时，由于完全抗磁性，超导体内部会产生一个相反的磁场，使超导体内部的总磁感应强度为零。由此产生的斥力可以使沉重的列车悬浮在空中。通过改变轨道上磁场的取向，可以使列车保持向前运动。去年11月27日，“室温超导”入选为2022年度“十大基础研究关键词”。“常温超导”研究者争议缠身在迪亚兹研究之前，超导材料的最高温度是2019年在德国科学家在马克斯·...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1348609.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1348609.htm

较高温度下超导性起源研究获突破 二维哈伯德模型再现铜酸盐超导特征

较高温度下超导性起源研究获突破二维哈伯德模型再现铜酸盐超导特征在新一期《科学》杂志上，美国纽约熨斗研究所团队报告称，他们在理解相对较高温度下超导性起源方面取得了突破。这些发现涉及自1986年以来一直困扰科学家的一类超导体——铜酸盐。团队此次成功地用一个二维哈伯德模型再现了铜酸盐超导的特征。该模型将铜酸盐视为围绕“量子棋盘”移动的电子，在模型中，研究人员为电子赋予了对角跳跃的能力，就像国际象棋中的象。这种调整结合超级计算机模拟，让团队捕捉到了先前实验中出现的铜氧化物的超导性和其他几个关键特征。这一新突破不仅将推进高温超导研究，而且对利用经典计算研究量子世界带来重要启发。(科技日报)

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