康奈尔大学研究人员挑战量子绝缘体的长期观点

康奈尔大学研究人员挑战量子绝缘体的长期观点这一发现揭示了量子反常霍尔绝缘体中的电子动力学，并有助于解决长达数十年的关于电流如何在更一般的量子霍尔绝缘体中流动的争论。这些见解将为下一代量子设备拓扑材料的开发提供参考。研究小组的论文最近发表在《自然-材料》（NatureMaterials）杂志上。论文的第一作者是马特-弗格森（MattFerguson），22年博士，目前是德国马克斯-普朗克固体化学物理研究所的博士后研究员。量子霍尔效应该项目由文理学院物理学助理教授、论文的资深作者KatjaNowack领导，起源于所谓的量子霍尔效应。量子霍尔效应于1980年首次被发现，当磁场作用于特定材料时，会引发一种不寻常的现象：大块样品的内部变成绝缘体，而电流沿外缘单向移动。电阻被量子化或限制为基本通用常数所定义的值，并下降为零。2013年首次发现的量子反常霍尔绝缘体通过使用磁化的材料实现了相同的效果。量子化仍然发生，纵向电阻消失，电子沿着边缘加速而不耗散能量，有点像超导体。破除流行观念"电流沿边缘流动的图像可以很好地解释量子化是如何产生的。但事实证明，这并不是唯一能解释量子化的图景，"诺瓦克说。"自从拓扑绝缘体在本世纪初蔚为壮观地崛起以来，这种边缘图景就一直占据着主导地位。局部电压和局部电流的复杂性在很大程度上被遗忘了。实际上，这些情况可能比边缘图景所显示的要复杂得多"。目前已知只有少数材料是量子反常霍尔绝缘体。在他们的新工作中，诺瓦克研究小组重点研究了铬掺杂的碲铋锑--十年前首次观测到量子反常霍尔效应的也是这种化合物。该样品由宾夕法尼亚州立大学物理学教授尼廷-萨马尔特领导的合作者培育而成。为了扫描这种材料，诺瓦克和弗格森使用了他们实验室的超导量子干涉装置（SQUID），这是一种极其灵敏的磁场传感器，可以在低温下工作，探测到令人生畏的微小磁场。SQUID能有效地对电流流（产生磁场的原因）进行成像，然后将这些图像组合起来，重建电流密度。诺瓦克说："我们研究的电流非常非常小，因此测量难度很大。我们需要在低于一开尔文的温度下对样品进行良好的量化。我很自豪我们做到了这一点。"发现与未来影响当研究人员注意到电子在材料的主体中流动，而不是在边界边缘流动时，他们开始翻阅以前的研究结论。他们发现，在1980年量子霍尔效应被首次发现后的几年里，关于电子流发生的位置有很多争论，而大多数年轻的材料科学家都不知道这种争论。"我希望从事拓扑材料研究的新一代注意到这项工作，并重新展开辩论。很明显，我们甚至不了解拓扑材料中发生的一些非常基本的方面，"她说。"如果我们不了解电流是如何流动的，那么我们对这些材料究竟了解多少呢？回答这些问题可能也与制造更复杂的设备有关，例如将超导体与量子反常霍尔绝缘体耦合以产生更奇特物质状态的混合技术。"我很想知道我们观察到的现象是否适用于不同的材料系统。也许在某些材料中，电流的流动方式会有所不同，"诺瓦克说。"对我来说，这凸显了拓扑材料的魅力--它们在电学测量中的行为是由非常普遍的原理决定的，与微观细节无关。然而，了解微观尺度上发生了什么至关重要，这对我们的基本理解和应用都是如此。这种一般原理与细微差别的相互作用，使得拓扑材料的研究如此迷人和引人入胜"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392237.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392237.htm

微观奇迹：可能改变量子研究与激光技术的光子拓扑绝缘体

微观奇迹：可能改变量子研究与激光技术的光子拓扑绝缘体研究中开发的光子拓扑绝缘体效果图。资料来源：伦斯勒理工学院伦斯勒理工学院（RensselaerPolytechnicInstitute）的研究人员制造出了一种比头发丝还细的装置，它将帮助物理学家研究物质和光的基本性质。他们的研究成果发表在《自然-纳米技术》（NatureNanotechnology）杂志上，还有助于开发更高效的激光器，这种激光器被广泛应用于医疗和制造等领域。该设备由一种名为光子拓扑绝缘体的特殊材料制成。光子拓扑绝缘体可以引导光子（构成光的波状粒子）进入材料内部专门设计的界面，同时还能防止这些粒子通过材料本身发生散射。由于这一特性，拓扑绝缘体可以使许多光子相干地像一个光子一样行动。这些设备还可用作拓扑"量子模拟器"，即研究人员可以研究量子现象（在极小尺度上支配物质的物理定律）的微型实验室。"我们创造的光子拓扑绝缘体是独一无二的。它能在室温下工作。这是一个重大进步。以前，人们只能使用昂贵的大型设备在真空中对物质进行超冷却，才能研究这种机制。许多研究实验室都没有这种设备，因此我们的设备可以让更多人在实验室里从事这种基础物理研究。"RPI材料科学与工程系助理教授、《自然-纳米技术》研究报告的资深作者WeiBao说。Bao补充说："这也是在开发运行所需能量更少的激光器方面迈出的充满希望的一步，因为我们的室温设备阈值（使其工作所需的能量）比以前开发的低温设备低七倍。"RPI的研究人员利用半导体行业用于制造微芯片的相同技术制造出了他们的新型设备，这种技术包括将不同种类的材料逐个原子、逐个分子地分层，以制造出具有特定性能的理想结构。为了制造这种装置，研究人员在金属卤化物过氧化物（一种由铯、铅和氯组成的晶体）上生长出超薄板，并在上面蚀刻出带有图案的聚合物。他们将这些晶体板和聚合物夹在各种氧化物材料的薄片之间，最终形成了一个厚约2微米、长宽均为100微米的物体（人类头发的平均宽度为100微米）。当研究人员用激光照射该装置时，在材料设计的界面上出现了一个发光的三角形图案。这种图案由装置的设计决定，是激光拓扑特性的结果。"能够在室温下研究量子现象是一个令人兴奋的前景。鲍教授的创新工作表明，材料工程学可以帮助我们回答一些科学上的重大问题，"RPI工程学院院长ShekharGarde说。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433331.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1433331.htm

科学家首次在室温下观察到拓扑绝缘体中的奇异量子态

科学家首次在室温下观察到拓扑绝缘体中的奇异量子态拓扑绝缘体是一种具有以独特方式传导电子的结构的材料。该材料的大部分是绝缘体，完全阻止电子流过。然而，在其表面和边缘的薄层是高度导电的，允许电子以高效率自由流动。鉴于这些奇怪的特性，拓扑绝缘体可以承载一些耐人寻味的量子态，对构建未来的量子技术可能很有用。但当然也有一个问题：大多数量子态是非常脆弱的，在面对干扰时就会崩溃。热，或热噪声，是一个主要的触发因素--当材料变暖时，其中的原子会以更高的能量振动，这就破坏了量子态。因此，大多数利用量子效应的实验和技术需要在接近绝对零度的温度下进行，在那里，原子的运动会直接减慢。但这反过来又使这些技术在更广泛的使用中不切实际。在新的研究中，普林斯顿大学的研究人员找到了一种解决方法，在室温下观察拓扑绝缘体的量子效应。他们选择的材料是一种被称为溴化铋的无机晶体化合物。这种材料被发现具有恰到好处的带隙，这是一个绝缘的“屏障”，电子无法在其中存在某些能量水平。这个带隙需要足够宽，以防止热噪音，但又不能太宽，以免破坏电子的自旋-轨道耦合效应，这对保持电子的稳定至关重要。溴化铋被发现有一个超过200毫电子伏特的带隙，正好在室温下保持量子状态稳定的“最佳位置”。研究小组通过观察所谓的量子自旋霍尔边缘状态证实了他们的发现，这是这些拓扑系统所特有的属性。研究人员说，这一突破将有助于推动自旋电子学等量子技术的发展，自旋电子学是一个新兴领域，它以比目前电子产品更高的效率将数据编码在电子的自旋中。“这实在是太可怕了，我们在没有巨大压力或超高磁场的情况下发现了它们，从而使这些材料更容易用于开发下一代量子技术，”该研究的共同第一作者NanaShumiya说。“我相信我们的发现将大大推动量子前沿的发展。”这项研究发表在《自然材料》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1331381.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1331381.htm

科学家首次在室温环境下观测到拓扑绝缘体中新量子效应

科学家首次在室温环境下观测到拓扑绝缘体中新量子效应物理学家首次在室温环境下观测到拓扑绝缘体中的新量子效应。普林斯顿大学的研究人员发现，一种由铋和溴元素制成的拓扑绝缘体表现出特殊的量子行为，而这种行为通常只有在高压或者接近于绝对零度的极端实验条件下才能看到。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1331285.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1331285.htm

"量子雪崩" - 可能彻底改变微电子学和超级计算机的现象

"量子雪崩"-可能彻底改变微电子学和超级计算机的现象对"量子雪崩"的新研究揭开了绝缘体到金属转变的神秘面纱，发现了电阻开关的新见解，并为微电子学带来了潜在的突破。对于需要多大的电场等问题，科学家们展开了激烈的争论，比如布法罗大学凝聚态物质理论家JongHan。韩博士是文理学院物理学教授，他是一项研究的第一作者，该研究采用新方法解答了绝缘体到金属转变的一个长期谜团。这项题为"通过隙内梯形态的量子雪崩导致的相关绝缘体塌缩"的研究于今年五月发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）上。布法罗大学物理学教授JongHan是一项新研究的第一作者，该研究有助于解开一个长期存在的物理学谜团，即绝缘体如何通过电场转变为金属，这一过程被称为电阻开关。图片来源：布法罗大学DouglasLevere电子通过量子路径运动Han说，金属和绝缘体的区别在于量子力学原理，量子力学原理规定电子是量子粒子，它们的能级在具有禁带间隙的带中运动。自20世纪30年代以来，朗道-齐纳公式一直是确定将绝缘体的电子从低能段推向高能段所需电场大小的蓝图。但此后几十年的实验表明，材料所需的电场要比朗道-齐纳公式估计的小得多，大约小1000倍。"因此，存在着巨大的差异，我们需要一个更好的理论，"Han说。解决差异为了解决这个问题，Han决定考虑一个不同的问题：当已经在绝缘体上带的电子被推动时会发生什么？Han利用计算机模拟了电阻开关，其中考虑到了上带电子的存在。结果表明，一个相对较小的电场就能引发下带和上带之间间隙的塌缩，为电子在带间上下移动创造量子路径。Han打了个比方："想象一些电子在二楼移动。当地板被电场倾斜时，电子不仅开始移动，而且以前被禁止的量子跃迁打开了，地板的稳定性突然崩溃，使不同楼层的电子上下流动。那么，问题就不再是底层的电子如何跳起来，而是更高的楼层在电场作用下的稳定性"。这一想法有助于解决朗道-齐纳公式中的一些差异。它还在一定程度上澄清了关于由电子本身引起的绝缘体到金属的转变或由极热引起的转变的争论。Han的模拟表明，量子雪崩并非由热量引发。然而，从绝缘体到金属的完全转变要等到电子和声子（晶体原子的量子振动）的温度达到平衡时才会发生。Han说，这表明电子和热转换的机制并不是相互排斥的，而是可以同时发生的。"因此，我们找到了一种理解整个电阻开关现象某些角落的方法，"Han说。"但我还认为这是一个很好的起点。"研究可改进微电子学这项研究的共同作者是哥伦比亚大学工程与应用科学学院电子工程系教授兼系主任乔纳森-伯德（JonathanBird）博士，他提供了实验背景。他的团队一直在研究在低温下呈现出新状态的新兴纳米材料的电学特性，这可以让研究人员学到很多关于支配电学行为的复杂物理知识。伯德说："虽然我们的研究侧重于解决新材料物理学的基本问题，但我们在这些材料中揭示的电学现象最终可能为新的微电子技术奠定基础，例如用于人工智能等数据密集型应用的紧凑型存储器。"潜在应用这项研究对于试图模拟人类神经系统电刺激的神经形态计算等领域也至关重要。"不过，我们的重点主要是理解基本现象学，"伯德说。自论文发表以来，Han已经设计出一种分析理论，与计算机的计算结果非常吻合。不过，他还有更多的研究要做，比如量子雪崩发生所需的确切条件。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376849.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376849.htm

量子突破：科学家开发出操纵奇异材料的新方法

量子突破：科学家开发出操纵奇异材料的新方法上图展示了一种控制材料中量子态的新方法。电场诱导铁电基底发生极化转换，从而产生不同的磁性和拓扑状态。图片来源：MinaYoon、FernandoReboredo、JacquelynDeMink/ORNL、美国能源部拓扑材料发现于20世纪80年代，是一种新的材料阶段，其发现者于2016年获得诺贝尔奖。仅利用电场，ORNL的研究人员就能将普通绝缘体转化为磁性拓扑绝缘体。这种奇特的材料允许电流流过其表面和边缘，而没有能量耗散。电场会引起物质状态的改变。领导这项研究的ORNL的MinaYoon说："这项研究可以带来许多实际应用，如下一代电子学、自旋电子学和量子计算。"这些物质可能会带来高速、低功耗的电子产品，与目前的硅基电子产品相比，它们能耗更低、运行更快。ORNL的科学家们在《二维材料》（2DMaterials）上发表了他们的研究成果。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1383317.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1383317.htm