量子几何 - 超导领域最新的"神奇"转折点

量子几何-超导领域最新的"神奇"转折点这项新的研究对具有近乎"冻结"电子的材料中如何产生超导性提供了重要的见解。他们的研究结果最近发表在《自然》杂志上，描述了一种计算电子速度的新方法。这项研究也代表了第一个例子，即量子几何被认为是任何材料中超导性的主要贡献机制。研究人员研究的材料是扭曲的双层石墨烯。石墨烯是一个单层的碳原子，以蜂窝状的方式定期排列。在扭曲的双层石墨烯中，两片石墨烯以轻微的角度扭曲堆叠在彼此的顶部。达拉斯大学自然科学和数学学院的物理学副教授、该研究的作者张帆博士说，原则上，在某个"神奇"的扭曲角度，材料中电子的速度接近零。理论物理学家张和他的合作者之前发表了一篇关于此类系统的独特物理特性的评论文章。张说："在传统金属中，电子的平均速度负责导电性，而在超导体中，电子配对成库珀对均匀流动，没有阻力或耗散。相比之下，在扭曲的双层石墨烯中，电子的移动速度非常非常慢，速度接近于零。但这产生了一个悖论：这些缓慢的电子如何能够导电，更不用说超导了，超导性必须来自其他东西。我们确定它产生于量子几何学。"这项新的研究为超导性如何在具有几乎"冻结"电子的材料中产生提供了重要的见解。由物理学教授和研究报告作者MarcBockrath博士、JeanieLau博士和MohitRanderia博士领导的俄亥俄州的研究人员制造了一个魔角扭曲的双层石墨烯装置，并能够测量其电子的速度。凝聚态物理学家利用施温格效应，即在电场存在的情况下自发产生电子-正电子对，来测量材料中电子的速度及其对超导性的贡献。这些发现标志着首次在任何超导体中看到了施温格效应，这是一种在相对论粒子物理学中预测但尚未观察到的现象。"事实证明，该速度是迄今为止所有石墨烯系统中最慢的。令人惊讶的是，超导性仍然可以产生，"理论组的物理学博士生、文章作者之一徐天一说。"弄清楚如何测量电子速度很重要，因为确定速度是一个关键步骤，使我们能够计算出它对超导的贡献。事实证明，这个贡献是很小的。"实验测量和理论分析表明，对超导性的主导贡献反而来自于量子几何学，它类似于普通几何学，但源自于量子多体物理学。"考虑一下我们正常的三维空间中的一个气球。它的所有几何特性都可以由度量和定义在其表面上的曲率决定，"前研究生和文章的作者PatrickCheung表示。"量子电子所处的空间也是如此。在这个所谓的希尔伯特空间中，量子几何可以产生令人难以置信的材料特性和应用，例如本研究中讨论的超导性和智能量子传感，我们在以前的工作中证明了这一点。"由量子几何学促成的超导性是一种非常规的机制。新的发现可以成为发现和设计新的超导体的基础，这些超导体在更高的温度下发挥作用，而不是在环境压力下工作在150开尔文（-123摄氏度或-190华氏度）以下。在室温下工作的高温超导体，长期以来一直是凝聚态物质和材料物理学的圣杯。如果它能够被开发出来，我们的生活和社会将被完全重塑，因为，例如，我们可以更有效地运输电力，以更低的成本运行磁悬浮列车。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349005.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349005.htm

石墨烯的扭曲科学：探索奇异物质的新量子尺

石墨烯的扭曲科学：探索奇异物质的新量子尺插图描述了NIST团队在实验中使用的两层石墨烯（两个双层），用于研究摩尔纹量子材料的一些奇特性质。左侧插图是两个双层石墨烯部分的俯视图，显示了当一个双层石墨烯相对于另一个双层石墨烯扭转一个小角度时形成的摩尔纹。资料来源：B.Hayes/NIST根据扭曲角度的不同，这些被称为摩尔量子物质的材料可以突然产生自己的磁场，成为零电阻的超导体，或者相反，变成完美的绝缘体。约瑟夫-A-斯特里西奥（JosephA.Stroscio）和他在美国国家标准与技术研究院（NIST）的同事以及一个国际合作团队开发了一种"量子尺"，用于测量和探索这些扭曲材料的奇异特性。这项工作还可能带来一种新的、微型化的电阻标准，可以直接在工厂车间校准电子设备，而无需将它们送到异地的标准实验室。来自弗吉尼亚州费尔法克斯乔治梅森大学的物理学家费雷什特-加哈里（FereshteGhahari）是这项研究的合作者，他利用两层直径约为20微米的石墨烯（称为双层石墨烯），相对于另两层石墨烯进行扭曲，制造出了一个摩尔量子物质装置。加哈里利用NIST纳米科学与技术中心的纳米加工设备制造了这个装置。随后，NIST研究人员马鲁-斯洛特（MarlouSlot）和尤利娅-马克西门科（YuliaMaximenko）将这种扭曲的材料装置冷却到绝对零度以上的百分之一，从而减少了原子和电子的随机运动，提高了材料中电子相互作用的能力。达到超低温后，他们研究了改变强外部磁场强度时石墨烯层中电子的能级如何变化。测量和操纵电子的能级对于设计和制造半导体器件至关重要。这幅摩尔纹量子材料中一个点的放大图描绘了电子（右边的红点和蓝点）的阶梯状能级。阶梯的背景类似于图纸能量，表明测量到的能级可以作为一种量子尺来确定材料的电学和磁学特性。资料来源：NIST/B.海耶斯电子运动和能级为了测量能级，研究小组使用了斯特里西奥在NIST设计和制造的多功能扫描隧道显微镜。当研究人员在磁场中对石墨烯双层膜施加电压时，显微镜会记录从材料"隧穿"到显微镜探针尖端的电子所产生的微小电流。在磁场中，电子以圆形轨迹运动。通常，固体材料中电子的圆形轨道与外加磁场有着特殊的关系：由于电子的量子特性，每个圆形轨道所包围的面积乘以外加磁场，只能得到一组固定的离散值。为了保持固定的乘积，如果磁场减半，那么电子轨道所包围的面积就必须增加一倍。遵循这一规律的连续能级之间的能量差，就像尺子上的刻度线一样，可以用来测量材料的电子和磁性能。任何与这一模式的细微偏差都代表着一种新的量子标尺，可以反映出研究人员正在研究的特定量子摩尔纹材料的轨道磁特性。发现与影响事实上，当NIST的研究人员改变施加在摩尔纹石墨烯双层膜上的磁场时，他们发现了新量子标尺发挥作用的证据。电子圆形轨道所包围的面积乘以外加磁场不再等于一个固定值。相反，这两个数字的乘积发生了偏移，偏移量取决于双层石墨的磁化程度。这种偏差转化为电子能级的一组不同刻度线。这些发现有望为我们揭示局限在石墨烯扭曲薄片中的电子如何产生新的磁性带来新的启示。斯特里西奥说："利用新的量子标尺来研究圆形轨道如何随磁场变化，我们希望能揭示这些摩尔纹量子材料的微妙磁特性。"量子摩尔材料中的电子被一个形似鸡蛋盒的电势所困住；电子集中在鸡蛋盒的山谷（低能态）中。资料来源：S.Kelley/NIST在摩尔量子材料中，电子具有一系列可能的能量--高能和低能，形状就像鸡蛋盒--这是由材料的电场决定的。电子集中在纸盒的低能态或谷中。NIST理论物理学家保罗-哈尼（PaulHaney）说，双层石墨烯中的谷之间的间距很大，大于任何单层石墨烯或未扭曲的多层石墨烯中的原子间距，这也是研究小组发现的一些不寻常磁性的原因。研究人员，包括来自马里兰大学学院帕克分校和联合量子研究所（NIST与马里兰大学的合作研究机构）的同事，在《科学》杂志上介绍了他们的工作。未来前景与应用由于摩尔量子物质的特性可以通过选择特定的扭转角度和原子薄层的数量来实现，因此新的测量结果有望让人们更深入地了解科学家如何定制和优化量子材料的磁性和电子特性，以满足微电子学和相关领域的大量应用需求。例如，人们已经知道超薄超导体是非常灵敏的单光子探测器，而量子摩尔超导体则是最薄的超导体之一。NIST团队还对另一种应用感兴趣：在适当的条件下，摩尔量子物质可以提供一种新的、更易于使用的电阻标准。目前的标准是基于一种材料在二维层中的电子受到强磁场作用时产生的离散电阻值。这种现象被称为量子霍尔效应，源于上文讨论的电子在圆形轨道上的量子化能级。离散电阻值可用于校准各种电气设备中的电阻。不过，由于需要强大的磁场，校准只能在NIST等计量设施中进行。斯特里西奥说，如果研究人员能操纵量子摩尔物质，使其在没有外加磁场的情况下也能产生净磁化，那么就有可能利用它来创建一种新的便携式最精确电阻标准，即反常量子霍尔电阻标准。电子设备的校准可在制造现场进行，从而节省数百万美元。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388617.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388617.htm

天然双层石墨烯内发现新奇量子效应

天然双层石墨烯内发现新奇量子效应由德国哥廷根大学领导的一个国际研究团队在最新一期《自然》杂志上发表论文称，他们在对天然双层石墨烯开展的高精度研究中，发现了新奇的量子效应，并从理论上对其进行了解释。这一系统制备简单，为载荷子和不同相之间的相互作用提供了新见解，有助于理解所涉及的过程，促进量子计算机的发展。2004年，两位英国科学家用一种非常简单的实验方法从石墨中剥离出石墨片，并借助特殊胶带得到仅由一层碳原子构成的石墨烯。石墨烯是强度最高的材料之一，具有很好的韧性、超强导热性与导电性，应用前景十分广阔。如果将两层石墨烯彼此以特定的角度偏转，所得到的系统甚至会表现出超导性和其他激发量子效应，如磁性。但迄今为止，很难制备出这种偏转的双层石墨烯。在最新研究中，科学家们使用了天然形成的双层石墨烯。他们首先使用简单的胶带从一块石墨中分离出石墨烯样品。为观察量子力学效应，施加了垂直于样品的高电场。他们发现，所得到系统的电子结构发生了变化，且拥有类似能量的电荷载流子出现强烈的累积效应。研究进一步发现，在略高于绝对零度（-273.15℃）下，石墨烯中的电子可相互作用，出现了各种意想不到且复杂的量子相。如相互作用导致电子自旋对齐，使材料在没有施加外部影响的情况下具有磁性。通过改变电场，研究人员也能不断改变双层石墨烯中载流子相互作用的强度。此外，电子运动的自由度在特定条件下会受限，形成电子晶格，且由于相互排斥作用，不再有助于传输电荷，导致系统对电绝缘。哥廷根大学物理系托马斯·韦茨教授表示，新系统的主要优势之一在于材料制备非常简单，研究人员不需要像以前那样在高温下才能获得所需结果，可用于进一步研究各种量子态及量子计算机等。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1305337.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1305337.htm

通过堆叠石墨烯层实现新形式的奇特超导性

通过堆叠石墨烯层实现新形式的奇特超导性想象一下，一张只有一层原子厚的材料--不到百万分之一毫米。虽然这听起来很玄乎，但这种材料是存在的：它被称为石墨烯，是由碳原子以蜂窝状排列而成的。2004年首次合成，然后很快被誉为具有神奇特性的物质，科学家们仍在努力了解它。堆叠的石墨烯层的模拟结果。该图像描绘了所谓的贝里曲率，证实了超导性的拓扑特性。奥地利科学技术研究所（ISTA）的博士后AregGhazaryan和MaksymSerbyn教授与以色列魏茨曼科学研究所的同事TobiasHolder博士和ErezBerg教授多年来一直在研究石墨烯，现在他们在3月2日发表在《物理评论B》杂志上的一篇研究论文中发表了对其超导特性的最新发现。ABCA堆叠中的四层石墨烯。二维蜂窝状格子中的四片碳原子相互堆叠，每片都相对于下面的那片向左移位。顶层的移动幅度很大，其结构再次与底层对齐。Ghazaryan解释说："多层石墨烯有许多有前途的品质，从广泛的可调谐带状结构和特殊的光学特性到新形式的超导性--意味着能够无阻力地传导电流。在我们的理论模型中，我们正在继续我们在多层石墨烯方面的工作，并且正在研究不同的石墨烯片相互之间的各种可能安排。在那里，我们发现了创造所谓拓扑超导性的新可能性。"在他们的研究中，研究人员在计算机上模拟了当你以某些方式将几层石墨烯片叠加在一起时会发生什么。"这就像一场大型的选美比赛，在不同配置的堆叠的石墨烯片之间找到最好的一个，"Serbyn补充说。"在其中，我们正在研究在多层石墨烯中移动的电子是如何表现的。根据不同层的石墨烯如何相互移动以及有多少层，蜂窝状晶格中的碳原子的带正电核为它们周围的电子创造了不同的环境。带负电的电子被核所吸引，并被彼此排斥。我们开始研究现实的模型，只考虑一个电子与石墨烯的原子核相互作用。一旦找到一个有希望的方法，我们就增加了许多电子之间更复杂的相互作用。通过这种方法，研究人员证实了拓扑超导性的奇特形式的发生。研究人员MaksymSerbyn和AregGhazaryan这种理论研究为未来的实验奠定了基础，这些实验将在实验室中创建模拟的石墨烯系统，观察它们是否真的像预测的那样表现。Ghazaryan说："我们的工作有助于实验者设计新的设置，而不必尝试石墨烯层的每一种配置。现在，理论研究将继续进行，而实验将给我们提供来自大自然的反馈。"虽然石墨烯已经慢慢在研究和技术中找到了应用--例如作为碳纳米管--但其作为电力拓扑超导体的潜力才刚刚开始被了解。Serbyn补充说："我们希望有一天能够在量子力学层面上完全描述这种材料，这既是为了科学探究物质基本特性的内在价值，也是为了石墨烯的许多潜在应用。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1348503.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1348503.htm

揭开新兴领域"扭曲物理"的神秘面纱：石墨烯带材推动了材料潜能的开发

揭开新兴领域"扭曲物理"的神秘面纱：石墨烯带材推动了材料潜能的开发图中灰色的石墨烯弯曲带平铺在另一片石墨烯薄片上。上面的石墨烯带和下面的石墨烯片之间的扭转角度在不断变化。在某些地方，两片石墨烯的原子晶格以0°角对齐，而在另一些地方，两片石墨烯的原子晶格相对扭曲了5°之多。资料来源：哥伦比亚大学CoryDean认为自己对某种材料了如指掌？试着给它来个扭转--字面上的扭转。这就是凝聚态物理新兴领域"扭曲物理"的主要理念。这一领域的研究人员通过微妙的变化--小到叠层之间的角度从1.1°变为1.2°--极大地改变了石墨烯等二维材料的特性。例如，扭曲的石墨烯层已被证明具有单层石墨烯所没有的特性，包括磁体、超导体或绝缘体，而这一切都源于层间扭曲角度的微小变化。从理论上讲，可以通过旋转旋钮来改变扭转角，从而调配出任何特性。然而，哥伦比亚大学物理学家科里-迪恩（CoryDean）认为，现实并非如此简单。两层扭曲的石墨烯可以变得像一种新材料，但人们还不太清楚这些不同特性的确切原因，也无法完全控制它们。迪恩和他的实验室开发出一种简单的新制造技术，可以帮助物理学家更系统、更可重现地探究石墨烯和其他二维材料扭曲层的基本特性。他们在《科学》（Science）杂志上撰文指出，他们使用石墨烯的长"带"，而不是方形薄片，制造出的器件在扭转角度和应变方面的可预测性和可控性都达到了新的水平。石墨烯器件通常由原子般薄的石墨烯薄片组装而成，薄片只有几平方毫米。片状石墨烯之间的扭曲角度是固定的，而且片状石墨烯很难平滑地层叠在一起。该论文的共同作者、博士后比亚克-杰森（BjarkeJessen）说："把石墨烯想象成'纱布'--当你把两片石墨烯放在一起时，就会出现随机的小褶皱和气泡。这些气泡和褶皱类似于薄片之间扭曲角度的变化，以及薄片之间产生的物理应变，可导致材料随意弯曲和挤压。所有这些变化都会产生新的行为，但在设备内部和设备之间却很难控制。"带状材料可以使一切变得平滑。实验室的新研究表明，只需用原子力显微镜的尖端轻轻一推，就能将石墨烯带弯曲成稳定的弧形，然后将其平放在第二层未弯曲的石墨烯层上。这样，两层石墨烯之间的扭转角就会在整个装置的长度范围内产生从0°到5°的连续变化，应变均匀分布，再也不会出现随机气泡或皱褶。"我们不必再用10个不同的角度制作10个独立的装置来观察会发生什么，"博士后兼合著者MaëlleKapfer说。"而且，我们现在可以控制应变，这在以前的扭曲装置中是完全没有的。"研究小组使用特殊的高分辨率显微镜来确认他们的设备有多均匀。有了这些空间信息，他们开发出了一种机械模型，可以根据弯曲带的形状预测扭转角度和应变值。第一篇论文的重点是表征石墨烯带以及其他可减薄至单层并堆叠在一起的材料的行为和特性。迪恩指出："迄今为止，我们尝试过的每一种二维材料都能做到这一点。从这里开始，实验室计划利用他们的新技术来探索量子材料的基本特性如何随着扭曲角度和应变的变化而变化。例如，先前的研究表明，当扭曲角为1.1时，两层扭曲的石墨烯会像超导体一样工作。"然而，目前有各种不同的模型来解释这个所谓的"魔力角"超导现象的起源，并预测了迄今为止难以稳定的其他魔力角。利用包含0°至5°之间所有角度的带状材料制成的设备，研究小组可以更精确地探索这种现象和其他现象的起源。"我们正在做的事情就像量子炼金术：把一种材料变成另一种材料。杰森说："我们现在有了一个平台，可以系统地探索这种现象是如何发生的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376707.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376707.htm

研究人员通过观察"魔角"石墨烯的自旋结构解决了长期存在的障碍

研究人员通过观察"魔角"石墨烯的自旋结构解决了长期存在的障碍然而，一个主要的障碍是科学家们用来测量电子自旋的标准方法--一种赋予宇宙万物结构的基本行为--通常在二维材料中不起作用。这使得全面了解这种材料并在此基础上推动技术进步变得异常困难。但布朗大学研究人员领导的科学家团队相信，他们现在有办法解决这一长期存在的难题。他们在发表于《自然-物理》（NaturePhysics）的一项新研究中描述了他们的解决方案。在这项研究中，该研究小组--其中还包括来自桑迪亚国家实验室集成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首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相互作用的测量结果。研究人员称，电子吸收微波光子被称为耦合，它为直接研究二维量子材料中电子如何自旋的特性提供了一种新的实验技术--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，但我们从未真正在这些二维材料中对其进行过直接探测，"布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者李嘉说。布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者李嘉说："过去二十年来，这一挑战阻碍了我们从理论上研究这些迷人材料中的自旋。我们现在可以用这种方法来研究许多我们以前无法研究的不同系统。"研究人员在一种名为"魔角"扭曲双层石墨烯的相对较新的二维材料上进行了测量。这种基于石墨烯的材料是由两片超薄的碳层堆叠而成，并以恰到好处的角度扭曲，从而将新的双层结构转化为超导体，使电流流动时没有阻力或能量浪费。这种材料在2018年刚刚被发现，研究人员之所以关注它，是因为它的潜力和神秘性。"2018年提出的许多重大问题仍有待解答，"布朗大学李的实验室里领导这项工作的研究生艾琳-莫里塞特（ErinMorissette）说。物理学家通常使用核磁共振或NMR来测量电子自旋。他们使用微波辐射激发样品材料的核磁特性，然后读取辐射引起的不同信号来测量自旋。二维材料所面临的挑战是，电子在微波激励下产生的磁信号太小，无法检测。研究小组决定随机应变。他们没有直接检测电子的磁化，而是利用布朗大学分子和纳米创新研究所制造的设备测量了电子电阻的微妙变化，这些变化是由辐射引起的磁化变化造成的。电子电流流的这些微小变化使研究人员能够利用该装置检测到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得系统某些部分的电子表现出反铁磁系统的行为--这意味着一些原子的磁性被一组反方向排列的磁性原子抵消了。这种研究二维材料自旋的新方法和目前的发现并不适用于当今的技术，但研究小组看到了这种方法在未来可能带来的潜在应用。他们计划继续将他们的方法应用于扭曲双层石墨烯，并将其扩展到其他二维材料。莫里塞特说："这是一个非常多样化的工具集，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，并从总体上理解电子在二维材料中的行为方式。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371469.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371469.htm