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

科学家用量子材料产生类似"3D眼镜"的视角将拓扑材料可视化

科学家用量子材料产生类似"3D眼镜"的视角将拓扑材料可视化研究人员利用X射线（图中绿色部分），在金属TbV6Sn6上创造出了三维电影般的效果。通过这种方法，他们成功追踪到了电子（图中的蓝色和黄色）的行为，并在理解量子材料方面向前迈进了一步。图片来源：JörgBandmann/ct.qmat)为了区分拓扑材料和传统材料，科学家们习惯于研究它们的表面电流。然而，电子的拓扑结构与其量子力学波特性和自旋密切相关。现在，这种关系已经通过光电效应得到了直接证明--在光的作用下，电子从金属等材料中释放出来。维尔茨堡ct.qmat的创始成员、该项目的理论物理学家之一乔治-桑焦万尼（GiorgioSangiovanni）教授将这一发现比作用3D眼镜来观察电子的拓扑结构。他解释说"电子和光子可以被量子力学地描述为波和粒子。因此，电子具有自旋，我们可以利用光电效应测量电子的自旋。为此，研究小组使用了圆偏振X射线光--具有转矩的光粒子。桑焦万尼详细解释道："当光子遇到电子时，量子材料发出的信号取决于光子是右旋还是左旋。换句话说，电子自旋的方向决定了左旋光束和右旋光束之间信号的相对强度。因此，我们可以把这个实验想象成3D电影院里的偏振眼镜，在那里也会使用不同方向的光束。我们的'3D眼镜'让电子的拓扑结构清晰可见"。由维尔茨堡-德累斯顿卓越研究小组ct.qmat（量子物质中的复杂性和拓扑学）领导的这一突破性实验及其理论描述，是从拓扑学角度描述量子材料特征的首次成功尝试。桑焦万尼指出了粒子加速器在实验中的重要作用，他说："我们需要同步加速器来产生这种特殊的X射线光，并创造出'3D电影'效果"。研究人员历时三年，终于取得了这一巨大成功。他们的起点是量子材料"Kagome"金属TbV6Sn6。在这一类特殊材料中，原子晶格混合了三角形晶格和蜂窝状晶格，其结构让人联想到日本的花篮编织。鹿目金属在ct.qmat的材料研究中发挥着重要作用。"在我们的实验同事开始同步加速器实验之前，我们需要模拟实验结果，以确保我们走在正确的轨道上。第一步，我们设计了理论模型，并在超级计算机上进行了计算，"项目负责人、理论物理学家DomenicodiSante博士说，他同时也是维尔茨堡合作研究中心（SFB）1170ToCoTronics的准成员。测量结果与理论预测完全吻合，使研究小组能够直观地看到并确认可果美的金属拓扑结构。参与该研究项目的科学家来自意大利（博洛尼亚、米兰、的里雅斯特、威尼斯）、英国（圣安德鲁斯）、美国（波士顿、圣巴巴拉）和维尔茨堡。用于模拟的超级计算机在慕尼黑，同步加速器实验在的里雅斯特进行。"Sangiovanni教授总结道："这些研究成果完美地诠释了理论物理学和实验物理学协同工作所能产生的非凡成果。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373551.htm

弯曲的空间结构 - 科学家们开发出一种新的量子材料

弯曲的空间结构-科学家们开发出一种新的量子材料由于铝酸镧（LaAlO3）和钛酸锶（SrTiO3）界面的自旋和轨道状态的叠加，导致空间结构的曲率。资料来源：XavierRavinet-UNIGE由日内瓦大学（UNIGE）领导的一项全球合作，包括来自萨勒诺大学、乌特勒支大学和代尔夫特大学的研究人员已经开发出一种材料，可以通过弯曲它们演变的空间结构来控制电子的动态。这一进展为未来的电子设备带来了希望，特别是在光电子领域。该研究结果发表在《自然材料》杂志上。未来的电信产业将需要新的、极其强大的电子装置。这些设备必须能够以前所未有的速度处理电磁信号，在皮秒范围内，即十亿分之一秒的速度。这在目前的半导体材料中是无法想象的，例如硅，它被广泛用于我们的电话、电脑和游戏机的电子元件中。为了实现这一目标，科学家和工业界正专注于新的量子材料的设计。由于其独特的属性--特别是组成它们的电子的集体反应--这些量子材料可用于在新的电子设备中捕获、操纵和传输携带信息的信号（例如，在量子通信的情况下，光子）。此外，它们可以在尚未探索的电磁频率范围内工作，因此将为非常高速的通信系统开辟道路。曲速驱动器量子物质最迷人的特性之一是电子可以在一个弯曲的空间中演化。由于电子所处空间的这种扭曲，力场产生了传统材料中完全没有的动力学。这是量子叠加原理的一个杰出应用，"UNIGE理学院量子物质物理系全职教授AndreaCaviglia解释说，他是这项研究的最后一名作者。在最初的理论研究之后，来自日内瓦大学、萨勒诺大学、乌特勒支大学和代尔夫特大学的国际研究小组设计了一种材料，其中空间结构的曲率是可控的。''我们设计了一个承载极薄的自由电子层的界面。它被夹在钛酸锶和铝酸镧之间，这是两种绝缘的氧化物，''萨勒诺大学教授和理论研究的协调人CarmineOrtix说。这种组合使我们能够获得可以按需控制的特殊电子几何构型。一次一个原子为了实现这一目标，研究小组使用了一个先进的系统，在原子尺度上制造材料。使用激光脉冲，每层原子被一个接一个地堆叠起来。''这种方法使我们能够在空间中创造特殊的原子组合，从而影响材料的行为，''研究人员详细说明。虽然技术使用的前景还很遥远，但这种新材料在探索极高速电磁信号操纵方面开辟了新的途径。这些结果也可用于开发新的传感器。研究小组的下一步将是进一步观察这种材料对高电磁频率的反应，以更精确地确定其潜在的应用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354017.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354017.htm

科学家开发出新型纳米材料 带来控制火灾的新方法

科学家开发出新型纳米材料带来控制火灾的新方法高温火焰对于生产多种材料至关重要。然而，控制火焰及其与目标材料的相互作用是一项挑战。科学家们现在已经开发出一种方法，利用分子薄保护层来控制火焰的热量与材料的相互作用--驯服火焰，让用户能够精细调整加工材料的特性。PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377999.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377999.htm

科学家提出搜寻暗物质的新方法

科学家提出搜寻暗物质的新方法自暗物质被发现以来，科学家们一直未能探测到它，即使几十年来在世界各地部署了多个超灵敏粒子探测器实验也无济于事。现在，美国能源部（DOE）SLAC国家加速器实验室的物理学家们提出了一种利用量子设备寻找暗物质的新方法。SLAC物理学家丽贝卡-利恩（RebeccaLeane）是这项新研究的作者之一，她认为大多数暗物质实验都在寻找银河系暗物质，这种暗物质会直接从太空发射到地球上，但另一种暗物质可能已经在地球周围徘徊了很多年。利恩说："暗物质进入地球后，会四处弹跳，最终被地球的引力场困住。随着时间的推移，这种热化暗物质的密度会比少数松散的星系粒子更高，这意味着它更有可能撞上探测器。不幸的是，热化暗物质的移动速度要比银河系暗物质慢得多，这意味着它传递的能量要比银河系暗物质少得多--传统探测器可能无法看到。"有鉴于此，利恩和SLAC博士后研究员阿尼尔班-达斯找到了SLAC的科学家诺亚-库林斯基，他是一个新实验室的负责人，主要研究用量子传感器探测暗物质。库林斯基说，科学家通常认为这是因为冷却系统不完善或环境中存在热源。但他说，可能还有其他原因："如果我们实际上有一个完美的冷系统，而我们无法有效冷却它的原因是它不断受到暗物质的轰击呢？"达斯、库林斯基和利恩想知道，超导量子设备是否可以重新设计为热化暗物质探测器。根据他们的计算，激活量子传感器所需的最小能量足够低，约为千分之一电子伏特，因此它可以探测到低能量的银河系暗物质以及悬浮在地球周围的热化暗物质粒子。当然，这并不意味着暗物质是量子设备失灵的罪魁祸首--只是说它是可能的，下一步就是要弄清楚他们能否以及如何将敏感的量子设备变成暗物质探测器。因此，有几件事需要考虑。首先，也许有更好的材料来制造这种装置。利恩说："我们一开始考虑的是铝，这只是因为铝可能是迄今为止用于探测器的特性最好的材料。但事实可能证明，对于我们正在研究的质量范围和我们想要使用的探测器类型，也许有更好的材料。"利恩说，还有一种可能性是，热化暗物质与量子设备的相互作用不会像银河系暗物质被怀疑与直接探测设备的相互作用那样。在这项研究中只是考虑了暗物质进入并直接弹开探测器的简单情况，但它还可以做很多其他事情。例如，其他粒子可能与暗物质相互作用，改变探测器中粒子的分布方式。"这就是在SLAC工作的好处之一。我们确实有相当多样化的小组在从事许多不同的科学研究，我觉得这个项目是SLAC研究的一个非常好的协同效应。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429970.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429970.htm