扭曲到1.08度"魔角"的超导石墨烯中的量子几何魔法

扭曲到1.08度"魔角"的超导石墨烯中的量子几何魔法石墨烯是单层的碳原子，2018年，麻省理工学院的科学家们发现，在适当的条件下，如果将一块石墨烯铺在另一块石墨烯上，并将这两层石墨烯扭曲到一个特定的角度--1.08度--形成扭曲的双层石墨烯，石墨烯就可以成为超导体。自那以后，科学家们一直在研究这种扭曲的双层石墨烯，并试图弄清楚这个"神奇的角度"是如何工作的，俄亥俄州立大学物理学教授、《自然》杂志论文的共同作者MarcBockrath说。"传统的超导理论在这种情况下不起作用，"Bockrath说。"我们做了一系列的实验，以了解这种材料成为超导体的根源。"在传统金属中，高速电子负责导电性。但是扭曲的双层石墨烯有一种被称为"平带"的电子结构，其中电子的移动速度非常慢--事实上，如果角度正好是神奇的1，其速度接近零。研究报告的共同作者、俄亥俄州立大学物理学教授JeanieLau说，根据传统的超导理论，移动速度如此缓慢的电子不应该能够导电。论文的第一作者、Lau研究小组的一名学生HaidongTian以极高的精度获得了一个非常接近"魔角"的装置，按照通常的凝聚态物理学标准，电子几乎被阻止。但该样品还是显示出了超导性。"这是一个悖论：运动如此缓慢的电子怎么可能导电？更不用说超导了。"Lau说。在他们的实验中，研究小组证明了电子的缓慢速度，并对电子运动进行了比以前更精确的测量。而且他们还发现了使这种石墨烯材料如此特别的第一个线索。"我们不能用电子的速度来解释扭曲的双层石墨烯是如何工作的，"Bockrath说。"相反，我们不得不使用量子几何。"就像所有的量子一样，量子几何是复杂的，不是直观的。但这项研究的结果与以下事实有关：电子不仅是一个粒子，也是一个波--因此有波函数。"平带中的量子波函数的几何形状，加上电子之间的相互作用，导致电流在双层石墨烯中流动而不耗散，"共同作者、俄亥俄州立大学物理学教授MohitRanderia说。"我们发现，传统的方程式可以解释我们发现的超导信号的10%。我们的实验测量表明，量子几何是使其成为超导体的90%，"Lau说。这种材料的超导效应只能在极低温度的实验中发现。最终的目标是能够了解导致高温超导的因素，这在现实世界的应用中可能会很有用，例如电力传输和通信。"这将对社会产生巨大的影响，这是一个漫长的过程，但这项研究肯定会使我们在理解它如何发生方面取得进展。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1347799.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1347799.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

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

超导新纪元： 二碲化铀如何重塑量子计算

超导新纪元：二碲化铀如何重塑量子计算他们的发现最近发表在著名的《自然》杂志上。乔-卡罗尔（JoeCarroll）是科克大学宏观量子物质小组实验室量子物理学教授塞缪斯-戴维斯（SéamusDavis）的一名博士研究员，也是一篇论文的第一作者，他发现了一种新型不寻常超导体二碲化铀（UTe2）中的空间调制超导状态。资料来源：ClareKeogh/UCC突破性发现第一作者乔-卡罗尔（JoeCarroll）是与UCC量子物理学教授塞缪斯-戴维斯（SéamusDavis）合作的博士研究员，他解释了论文的主题。"超导体是一种神奇的材料，具有许多奇特和不寻常的性质。最著名的是，它们能让电流以零电阻流动。也就是说，如果你将电流通过它们，它们不会开始发热，事实上，尽管承载着巨大的电流，它们也不会耗散任何能量。它们之所以能做到这一点，是因为在金属中移动的不是单个电子，而是结合在一起的成对电子。这些电子对共同形成了宏观量子力学流体"。"我们的团队发现，一些电子对形成了一种新的晶体结构，嵌入到这种背景流体中。这些类型的状态是我们小组在2016年首次发现的，现在被称为电子对密度波。这些电子对密度波是一种新形式的超导物质，我们仍在探索其特性。""对我们和更广泛的群体来说，尤其令人兴奋的是，UTe2似乎是一种新型超导体。近40年来，物理学家一直在寻找这样一种材料。电子对似乎具有内在角动量。如果这是真的，那么我们探测到的就是第一个由这些奇异电子对组成的对密度波"。对量子计算的实际影响当被问及这项工作的实际意义时，卡罗尔先生解释道；"有迹象表明，UTe2是一种特殊的超导体，可能会对量子计算产生巨大影响。典型的经典计算机使用比特来存储和处理信息。量子计算机依靠量子比特或量子比特来完成同样的工作。现有量子计算机面临的问题是，每个量子比特必须处于两种不同能量的叠加状态--就像薛定谔的猫既可以被称为'死'猫，也可以被称为'活猫'。这种量子态很容易被破坏，坍缩到能量最低的状态--'死'--从而切断任何有用的计算。"这给量子计算机的应用带来了巨大限制。然而，自从五年前发现UTe2以来，人们对它进行了大量研究，有证据表明它是一种超导体，可以作为拓扑量子计算的基础。在这种材料中，计算过程中的量子比特寿命不受限制，这为开发更稳定、更有用的量子计算机开辟了许多新途径。事实上，微软公司已经为拓扑量子计算投入了数十亿美元，因此这已经是一门成熟的理论科学。"科学界一直在寻找的是一种相关的拓扑超导体；UTe2似乎就是这种超导体。我们的发现为UTe2提供了另一块拼图。要利用这样的材料进行应用，我们必须了解它们的基本超导特性。所有的现代科学都是循序渐进的。我们很高兴能为了解一种材料做出贡献，这种材料可能会让我们更接近更实用的量子计算机。"结论与未来展望科克大学研究与创新副校长JohnF.Cryan教授向科克大学宏观量子物质小组实验室的研究团队表示祝贺："这一重要发现将对量子计算的未来产生重大影响。未来几周，科克大学将启动"UCCFutures-未来量子与光子学"项目，SeamusDavis教授和宏观量子物质小组领导的研究使用了世界上最强大的显微镜之一，将在这一激动人心的项目中发挥至关重要的作用"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376073.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376073.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

最具希望高温超导二极管或出现 可为量子计算等新兴行业提供动力

最具希望高温超导二极管或出现可为量子计算等新兴行业提供动力据科技日报，几十年来，超导体一直是物理学界研究的热点。但这些允许电子完美无损流动的材料，通常只在非常低的温度下（比绝对零度高几度）才表现出这种量子力学特性。美国哈佛大学研究团队展示了一种新策略，可制造和操纵铜酸盐高温超导体，为在以前无法获得的材料中设计新的超导形式扫清了道路。使用一种独特的低温器件制造方法，研究团队在最新一期《科学》杂志上报告了世界上第一个有希望的高温超导二极管。其本质是一种使电流单向流动的开关，由薄的铜酸盐晶体制成。从理论上讲，这样的设备可为量子计算等新兴行业提供动力。