物理学家解开了准晶体形成之谜

物理学家解开了准晶体形成之谜一个由不同大小的环组成的子结构将自己无缝嵌入到一个六边形结构中。资料来源：马丁路德大学哈雷-维滕贝格分校他们的研究解决了从金属氧化物中形成二维准晶体的奥秘，最近发表在《自然通讯》杂志上。"六角形在自然界中经常被发现。最著名的例子是蜂窝，但石墨烯或各种金属氧化物，如氧化钛也形成这种结构。六边形是周期性排列的理想模式，"MLU物理研究所表面和界面物理组的研究员StefanFörster博士解释说。"它们如此完美地结合在一起，没有任何缝隙。"2013年，该小组在铂金基底上沉积了一个含有氧化钛和钡的超薄层，并在超高真空中加热到约1000摄氏度时，有了一个惊人的发现。原子排列成三角形、正方形和菱形，这些三角形、正方形和菱形组合成甚至更大的具有12条边的对称形状。一个具有12倍旋转对称性的结构被创造出来，而不是预期的6倍周期性。根据福斯特的说法，"准晶体被创造出来，具有非周期性的结构。这种结构是由高度有序的基本原子团组成的，即使这种有序性背后的系统性对观察者来说是难以辨别的。"来自哈雷的物理学家们是世界上第一个证明在金属氧化物中形成二维准晶体的人。自他们发现以来，这种准晶体的形成机制仍然令人费解。MLU的物理学家现在与来自哈雷马克斯-普朗克微结构物理研究所、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学和美国国家标准与技术研究所（美国盖瑟斯堡）的研究人员合作，解决了这个谜题。利用精心设计的实验、高能计算和高分辨率显微镜，他们表明，高温和钡的存在创造了一个分别有四个、七个和十个原子的钛和氧环的网络。"钡既打破了原子环，又稳定了它们，"领导该联合项目的Förster解释说。"一个钡原子嵌入一个七原子环中，两个嵌入一个十原子环中"。这是可能的，因为钡原子与铂金支撑物发生静电作用，但不与钛原子或氧原子形成化学键。通过他们的最新发现，研究人员所做的不仅仅是澄清了一个基本的物理学问题。Förster说："现在我们对原子层面的形成机制有了更好的理解，我们可以尝试在其他与应用相关的材料（如金属氧化物或石墨烯）中按需制造这种二维准晶体。我们很高兴能够了解这种特殊的排列方式是否会产生全新的、有用的特性"。这些实验是作为"超周期晶体：结构、动力学和电子特性"项目的一部分进行的，该项目由德国研究基金会和法国国家研究机构资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345975.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345975.htm

40年量子之谜迎刃而解："奇异金属"为何如此奇异？

40年量子之谜迎刃而解："奇异金属"为何如此奇异？一种新理论解释了奇异金属的不寻常行为，奇异金属被认为是凝聚态物理学中最大的挑战之一。该理论基于奇异金属的两个特性。首先，它们的电子可以在量子力学上相互纠缠，束缚了它们的命运，而且即使相隔很远，它们仍然会纠缠在一起。其次，奇异金属的原子排列不均匀。资料来源：露西-雷丁-伊坎达/西蒙斯基金会由纽约市Flatiron研究所计算量子物理中心的阿维什卡尔-帕特尔领导的最新研究终于揭示了一种机制，可以解释奇异金属的特性。在8月18日出版的《科学》（Science）杂志上，帕特尔和他的同事们介绍了他们关于奇怪金属为何如此奇怪的通用理论--这是凝聚态物理学中最大的未决问题之一的解决方案。许多量子材料中都存在奇怪的金属表面，包括一些经过微小改变就能成为超导体（在足够低的温度下电子流动阻力为零的材料）的材料。这种关系表明，了解奇异金属有助于研究人员发现新型超导现象。这个简单得令人惊讶的新理论解释了奇异金属的许多奇特之处，例如为什么电阻率的变化与温度成正比--电阻率是衡量电子作为电流在材料中流动的容易程度的指标，即使在极低的温度下也是如此。这种关系意味着，在相同温度下，奇异金属比普通金属（如金或铜）对电子流动的阻力更大。信息图解释了一种新理论，该理论解释了被称为奇异金属的量子材料的奇特性质。资料来源：LucyReading-Ikkanda/Simons基金会新理论基于奇异金属两种特性的结合。首先，它们的电子可以彼此量子力学地纠缠在一起，束缚了它们的命运，而且即使相隔很远，它们也会保持纠缠状态。其次，奇异金属的原子排列不均匀，呈拼凑状。这两种特性都不能单独解释奇异金属的奇特之处，但综合起来，"一切都水到渠成了"，在中央研究院担任Flatiron研究员的帕特尔说。奇异金属原子布局的不规则性意味着电子纠缠的变化取决于纠缠发生在材料的哪个位置。当电子在材料中移动并相互影响时，这种变化增加了电子动量的随机性。电子不是一起流动，而是在各个方向相互碰撞，从而产生电阻。由于电子碰撞的频率越高，材料的温度就越高，电阻也会随之升高。帕特尔说："这种纠缠和不均匀性的相互作用是一种新的效应；以前从未考虑过任何材料会产生这种效应。回想起来，这是一件极其简单的事情。长期以来，人们把奇异金属的整个故事说得过于复杂，这是不对的。"帕特尔说，更好地理解奇异金属可以帮助物理学家为量子计算机等应用开发和微调新型超导体。他说："在有些情况下，有些东西想要超导，但又做不到，因为超导性被另一种竞争态阻挡了。那么我们可以问，这些非均匀性的存在是否会破坏超导性与之竞争的其他状态，并为超导性留出道路？"现在，奇异金属已经不那么奇异了，这个名字似乎也不那么贴切了。帕特尔说："在这一点上，我更愿意称它们为不寻常金属，而不是奇异金属。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378325.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378325.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

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

物理学家揭秘黑洞的怪异量子特性：同时拥有不同质量的能力

物理学家揭秘黑洞的怪异量子特性：同时拥有不同质量的能力使用NightCafeCreatorAI创建的质量量化黑洞的插图。资料来源：昆士兰大学"黑洞拥有我们宇宙中一个令人难以置信的独特和迷人的特征，"Foo说。"当重力将大量的物质难以置信地挤压到一个微小的空间时，它们就会产生，产生如此大的引力，甚至连光都无法逃脱。这是一个可以由垂死的恒星引发的现象。但是，直到现在，我们还没有深入研究黑洞是否显示出量子物理学的一些奇怪和奇妙的行为。"这样的行为之一是叠加，即量子尺度上的粒子可以同时存在于多种状态。这一点最常见的是薛定谔的猫，它可以同时既死又活。但是，对于黑洞来说，我们想看看它们是否可以同时拥有巨大的不同质量，结果发现它们确实如此。想象一下，你既宽又高，同时又矮又瘦--这是一种直观上令人困惑的情况，因为我们立足于传统物理学的世界。但这是量子黑洞的现实。为了揭示这一令人费解的现象，物理学家团队开发了一个数学框架，允许我们将一个粒子"置于"理论上的质量叠加黑洞之外。质量被特别关注，因为它是黑洞的一个决定性特征，而且量子黑洞自然会有质量叠加，这也是合理的。研究的共同导师MagdalenaZych博士说，这项研究事实上加强了量子物理学先驱们提出的猜想。她说："我们的工作表明，雅各布-贝肯斯坦--一位美国和以色列的理论物理学家，对黑洞热力学的基础做出了根本性贡献--的早期理论是正确的。他假设黑洞的质量只能达到一定的数值，也就是说，它们必须落在一定的波段或比率内--例如，这就是原子的能量水平的作用。"建模表明，这些叠加的质量事实上是在某些确定的波段或比率内--正如贝肯斯坦所预测的那样。"我们没有假设任何这样的模式，所以我们发现这个证据的事实是相当令人惊讶的。宇宙正在向我们揭示，它总是比我们大多数人所能想象的更加奇怪、神秘和迷人。"这项研究已经发表在《物理评论快报》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1331781.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1331781.htm

物理学家正在揭开“时间箭头”的谜团

物理学家正在揭开“时间箭头”的谜团理论物理学家的一项新研究在确定粒子和细胞如何产生大规模动态方面取得了进展，我们将其视为时间的流逝。我们如何体验世界的一个核心特征是时间从过去流向未来。但是，这个被称为“时间箭头”（Arrowoftime）的现象是如何从粒子和细胞之间的微观互动中产生的，却是一个谜。纽约市立大学研究生中心理论科学倡议（ITS）的研究人员在《物理评论快报》杂志上发表了一篇新的论文，正在帮助揭开这个谜团。这些发现可能对广泛的学科产生重要影响，包括物理学、神经科学和生物学。从根本上说，“时间箭头”产生于热力学第二定律。这是物理系统的微观排列趋向于增加随机性的原则，从有序到无序。一个系统变得越无序，它就越难找到回到有序状态的方法，“时间箭头”也就越强。简而言之，宇宙的无序倾向是我们体验到时间朝一个方向流动的根本原因。“我们团队的两个问题是，如果我们观察一个特定的系统，我们是否能够量化其时间箭头的强度，以及我们是否能够理清它是如何从细胞和神经元相互作用的微观尺度出现在整个系统中的？”ITS项目的博士后和该论文的第一作者ChristopherLynn说。“我们的发现为理解我们在日常生活中体验到的时间箭头是如何从这些更微观的细节中出现的提供了第一步。”为了开始回答这些问题，物理学家们探索了如何通过观察一个系统的特定部分和它们之间的相互作用来分解时间箭头。例如，这些部分可以是在视网膜内运作的神经元。观察一个单一的时刻，他们表明“时间箭头”可以被分解成不同的部分：那些由单独工作的部分、成对工作的部分、三合一工作的部分或更复杂的配置产生的部分。有了这种分解“时间箭头”的方法，科学家们分析了关于蝾螈视网膜中的神经元对不同电影的反应的现有实验。在一部电影中，一个物体在屏幕上随机移动，而另一部电影则描绘了自然界中的全部复杂场景。在这两部电影中，研究小组发现，“时间箭头”出现在成对的神经元之间的简单互动中，而不是大型的、复杂的群体。令人惊讶的是，研究人员还观察到，在观看随机运动时，视网膜显示的“时间箭头”比自然场景更强。Lynn说，这后一个发现提出了关于我们对“时间箭头”的内部感知如何与外部世界保持一致的问题。Lynn表示：“这些结果可能会引起神经科学研究人员的特别兴趣。例如，它们可能会导致关于时间箭头在神经类型的大脑中是否有不同功能的答案。”该研究的主要研究者、研究生中心的物理学和生物学教授DavidSchwab说：“Chris对局部不可逆性的分解--也被称为时间箭头--是一个优雅、通用的框架，可能为探索许多高维、非平衡系统提供一个新视角。”...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1308219.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1308219.htm