研究人员成功实现利用超导体掌握芯片上的自旋波

研究人员成功实现利用超导体掌握芯片上的自旋波这些磁体中的微小自旋波可能在未来成为电子器件的替代品，对节能信息技术或量子计算机中的连接部件等很有意义。这一突破发表在《科学》杂志上，主要让物理学家对磁体和超导体之间的相互作用有了新的认识。"自旋波是磁性材料中的波，我们可以利用它来传输信息，"领导这项实验的迈克尔-博斯特解释说。"由于自旋波可以成为替代电子产品的高能效构件，科学家们多年来一直在寻找控制和操纵自旋波的有效方法"。""早有预言金属电极可以控制自旋波，但直到现在，物理学家几乎还没有在实验中看到这种效果。"量子纳米科学系副教授ToenovanderSar说："我们研究团队的突破在于，我们证明了如果使用超导电极，确实可以正确控制自旋波。"其工作原理如下：自旋波产生磁场，磁场又在超导体中产生超电流。超电流就像自旋波的一面镜子：超导电极将磁场反射回自旋波。超导镜面使自旋波上下移动的速度更慢，从而使自旋波易于控制。当自旋波经过超导电极时，它们的波长会完全改变，只要稍微改变电极的温度，我们就能非常精确地调节变化的幅度。实验插图。图中显示了薄磁层上的两个金电极。中间是一个超导电极。研究人员用左边的金电极在磁性材料中产生自旋波，自旋波向右边传播。电极顶部是一个方形钻石膜，研究人员可以通过它看到超导电极。资料来源：代尔夫特理工大学MichaelBorst"我们首先铺设了一层薄薄的钇铁石榴石（YIG）磁层，它被称为地球上最好的磁铁。我们在上面铺设了一个超导电极和另一个电极来诱导自旋波。通过冷却到零下268度，我们让电极进入了超导状态，"范德萨说。"令人惊奇的是，自旋波随着温度的降低变得越来越慢。这让我们有了操纵自旋波的独特方法；我们可以让自旋波偏转、反射、共振等等。但这也让我们对超导体的特性有了新的认识。"研究人员钻石中的电子作为自旋波磁场的传感器，对自旋波进行成像，这对实验至关重要。它最酷的地方在于可以透过不透明的超导体观察下面的自旋波，就像核磁共振扫描仪可以透过皮肤观察人的身体一样。""自旋波技术仍处于起步阶段，"博斯特说。"例如，要利用这种技术制造高能效计算机，我们首先必须开始构建小型电路来执行计算。我们的发现打开了一扇门：超导电极可以实现无数新的高能效自旋波电路"。范德萨补充说："我们现在可以设计基于自旋波和超导体的设备，这些设备产生的热量和声波都很少。想想自旋电子学版的频率滤波器或谐振器吧，这些元件可以在手机的电子电路中找到。或者可以作为量子计算机中量子位之间的晶体管或连接器的电路。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393793.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393793.htm

量子物质突破：研究人员发现独特的量子行为

量子物质突破：研究人员发现独特的量子行为一个科学家小组将冷原子气体的操纵潜力提高了一倍，创造出了一种新型物质。这一突破可以通过激发特制气体中的"密度波"来推动量子技术的发展。密度波插图。由HaraldRitsch绘制。资料来源：因斯布鲁克大学/EPFL过去，冷原子气体因能够"编程"原子之间的相互作用而闻名于世，洛桑联邦理工学院的让-菲利普-布兰特教授（Jean-PhilippeBrantut）说。"我们的实验让这种能力翻了一番！"他们与因斯布鲁克大学的赫尔穆特-里奇（HelmutRitsch）教授小组合作，取得了一项突破性进展，这不仅会影响量子研究，还会影响未来的量子技术。长期以来，科学家们一直对了解材料如何自组织成晶体等复杂结构感兴趣。在量子物理学这个常常令人费解的世界里，粒子的这种自组织表现为"密度波"，即粒子排列成一种有规律的、重复的模式或"秩序"；就像一群穿着不同颜色衬衫的人站成一排，但没有两个穿着相同颜色衬衫的人站在一起。在金属、绝缘体和超导体等多种材料中都能观察到密度波。然而，对它们的研究一直很困难，尤其是当这种秩序（波中粒子的模式）与其他类型的组织（如超流体--一种允许粒子无阻力流动的特性）同时出现时。值得注意的是，超流动性并不仅仅是一种理论上的好奇心；它对于开发具有独特性质的材料（例如高温超导性，它可以带来更高效的能量传输和存储）或建造量子计算机具有巨大的意义。为了探索这种相互作用，布兰特和他的同事们创造了一种"单元费米气体"，这是一种由冷却到极低温度的锂原子组成的稀薄气体，其中的原子经常相互碰撞。然后，研究人员将这种气体置于光腔中，光腔是一种用于将光线长时间限制在狭小空间内的装置。光腔由两面反射镜组成，能将射入的光线在两面反射镜之间来回反射数千次，从而使光粒子（光子）在光腔内积聚。在这项研究中，研究人员利用空腔使费米气体中的粒子发生远距离相互作用：第一个原子会发射一个光子，光子反弹到镜子上，然后被气体中的第二个原子重新吸收，无论它与第一个原子的距离有多远。当发射和重新吸收的光子足够多时（在实验中很容易调整），原子就会集体组织成密度波模式。布兰特说："原子在费米气体中直接相互碰撞，同时又在很远的距离上交换光子，这是一种新型物质，其中的相互作用是极端的。我们希望，我们在那里看到的东西将增进我们对物理学中遇到的一些最复杂材料的理解。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372485.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372485.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

研究人员创造出一种新型的量子材料 拥有戏剧性的鱼骨状扭曲

研究人员创造出一种新型的量子材料拥有戏剧性的鱼骨状扭曲这幅插图显示了一种新的量子材料的各层之间的电子拉锯战是如何将其原子晶格扭曲成一个戏剧性的鱼骨状图案的。创建这种材料的SLAC和斯坦福大学的科学家们刚刚开始探索这种"巨大"的扭曲是如何影响材料的特性的。"这是一个非常基本的结果，所以很难对它可能或不可能产生的东西作出预测，但可能性是令人兴奋的，"SLAC/斯坦福大学教授和SIMES主任HaroldHwang说。"根据我们团队成员的理论建模，看起来这种新材料具有耐人寻味的磁性、轨道和电荷秩序特性，我们计划进一步研究。这些正是科学家们认为赋予量子材料惊人特性的一些属性。该研究小组在《自然》杂志上发表的一篇论文中描述了他们的工作。在SLAC和斯坦福大学的实验中，研究人员改变了左图材料的原子结构，该材料由八面体和四面体层组成，被称为布朗米勒石，通过化学方法去除氧气层，就像玩Jenga的人小心翼翼地从一堆木块中去除一样。由此产生的材料（右图）被Jahn-Teller效应引起的层间电子拉锯战极大地扭曲成人字形图案。资料来源：WooJinKim/SIMES人字形图案的材料是首次在具有平坦的平面晶格的分层材料中展示了一种叫做Jahn-Teller（JT）效应的东西，就像一栋具有均匀间隔的楼层的高层建筑。JT效应解决了电子在接近离子时面临的困境--一个缺少一个或多个电子的原子。就像一个在地面上滚动的球会在一个低洼处停下并定居一样，电子会寻找并占据原子电子轨道中能量最低的空位。但有时会有两个能量同样低的空位。那怎么办呢？如果该离子在一个分子中或嵌入一个晶体中，JT效应会扭曲周围的原子晶格，从而只留下一个最低能量状态的空位，解决电子的问题。而当整个晶格由JT离子组成时，在某些情况下，整个晶体结构会发生扭曲，因此电子的困境在所有离子中得到了合作解决。这就是这项研究中发生的情况。插图显示了一种新的量子材料的扭曲，这种扭曲是由带负电的钴离子和带正电的钙离子之间的电子拉锯战产生的。在所谓的Jahn-Teller效应中，每个钴离子试图将钙离子从它上面和下面的层中拉出来，使原子晶格按照箭头的方向扭曲，这是以前没有见过的方式。资料来源：WooJinKim/SIMES"Jahn-Teller效应在电子之间以及电子和晶格之间产生了强烈的相互作用，"Hwang说。"这被认为在一些量子材料的物理学中起着关键作用。"JT效应已经被证明适用于单分子和由八面体或四面体结构排列的离子组成的三维晶体材料。事实上，基于锰或铜的JT氧化物表现出巨大的磁阻和高温超导性--导致科学家们想知道在基于其他元素或具有不同结构的材料中会发生什么。在这项研究中，SIMES的研究人员将一种由钴、钙和氧（CaCoO2.5）组成的材料（它具有不同的八面体和四面体层的堆叠，被称为布朗米勒石）变成了一种层状材料（CaCoO2），在这种材料中可以产生JT效应。他们用几年前在SIMES开发的化学技巧做到了这一点，制成了第一个氧化镍超导体。Kim合成了一层棕米勒石薄膜，并通过化学方法从其晶格中移除单层氧原子，就像玩家小心翼翼地从Jenga塔中移除积木一样。晶格坍塌并沉淀为一个平坦的平面结构，其中交替含有带负电荷的钴离子（JT离子）和带正电荷的钙离子。每个钴离子都试图从它上面和下面的层中拉出钙离子。他说："相邻层之间的这种拉锯战导致了一种美丽的扭曲模式，它反映了发挥作用的力量之间的最佳和最和谐的妥协。而且与其他材料相比，所产生的晶格扭曲是巨大的--相当于晶格中离子之间距离的25%。"Hwang说，研究小组将用SLAC和其他地方现有的X射线工具来探索这种显著的新电子配置。他说："我们也想知道，如果我们能给这种材料掺入兴奋剂--用其他原子替换一些原子，以改变可自由移动的电子数量，会发生什么。这有许多令人兴奋的可能性"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352353.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352353.htm

哈佛大学的巧妙方法可以在封闭与高压下测量物质超导状态

哈佛大学的巧妙方法可以在封闭与高压下测量物质超导状态金刚石砧单元中氮空位中心的艺术效果图，该单元可探测高压超导体对磁场的释放。资料来源：EllaMarushchenko科学家们一直渴望了解并最终利用被称为氢化物的超导富氢化合物进行实际应用--从悬浮列车到粒子探测器。但是，研究这些材料和其他材料在巨大、持续压力下的行为并不实际，精确测量这些行为介于噩梦和不可能之间。哈佛大学的科学家在高压物理学领域取得了重大进展，他们创造了一种工具，可以直接对极端条件下的超导材料进行成像，促进了超导氢化物领域的新发现。高压测量的突破性进展哈佛大学的研究人员认为，对于如何测量和成像氢化物超导体在高压下的行为这一棘手问题，他们已经找到了一种基础工具，就像计算器对算术的作用和ChatGPT对写作五段式文章的作用一样。他们在《自然》（Nature）杂志上发表报告称，研究人员已经创造性地将量子传感器集成到一个标准的压力诱导装置中，从而能够直接读取加压材料的电学和磁学特性。这项创新来自于物理学教授姚诺曼（NormanYao）（09-14博士）与波士顿大学教授、前哈佛博士后克里斯托弗-劳曼（ChristopherLaumann）（03-）的长期合作。高压物理学的革命研究极压下氢化物的标准方法是使用一种名为金刚石砧室的仪器，它将少量材料挤压在两个明亮切割的金刚石界面之间。为了检测样品是否被挤压到足以实现超导，物理学家通常会寻找双重特征：电阻降到零，以及附近磁场的排斥力，即迈斯纳效应（这就是为什么用液氮冷却陶瓷超导体时，它会在磁铁上盘旋的原因）。问题在于如何捕捉这些细节。为了施加必要的压力，必须用一个垫圈将样品固定住，使挤压均匀分布，然后将样品封闭在一个腔体内。这样就很难"看到"里面发生了什么，因此物理学家不得不采用变通方法，用多个样品分别测量不同的效应。"超导氢化物领域一直存在一些争议，部分原因是高压下的测量技术非常有限，"Yao说。"问题在于不能把传感器或探针插在里面，因为所有东西都是封闭的，而且处于非常高的压力下。这使得从舱内获取局部信息变得极为困难。因此，没有人真正观测到过单个样品中超导的双重特征。"为了解决这个问题，研究人员设计并测试了一种巧妙的改装方法：他们在金刚石砧座表面直接集成了一层薄薄的传感器，由金刚石原子晶格中自然产生的缺陷构成。他们利用这些被称为氮空位中心的有效量子传感器，在样品加压并进入超导领域时，对腔室内的区域进行成像。为了证明他们的概念，他们使用了氢化铈，这种材料在大约一百万个大气压的压力下会成为超导体，物理学家称之为兆巴级。这一新工具不仅有助于发现新的超导氢化物，还能更容易地获得现有材料的这些让研究人员梦寐以求的特性，以便继续进行研究。Laumann说："可以想象，因为现在是在一个[氮空位]金刚石砧槽中制造东西，可以立即看到'这个区域现在是超导的，这个区域不是'，然后可以优化合成，并想出一种方法来制造更好的样品。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1422223.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1422223.htm

Nature：研究人员找到了 LK-99 不是室温超导体的证据

Nature：研究人员找到了LK-99不是室温超导体的证据研究人员似乎已经解决了LK-99的难题。科学探索工作已经发现了该材料不是超导体的证据，并阐明了其实际特性。这一结论让LK-99——一种铜、铅、磷和氧的化合物——被证明是第一个在室温和环境压力下工作的超导体的希望破灭。相反，研究表明，材料中的杂质（特别是硫化铜）导致其电阻率急剧下降，并在磁体上显示出部分悬浮的特性，这些特性与超导体所表现出的特性类似。加州大学戴维斯分校的凝聚态实验学家InnaVishik表示：“我认为事情到此已经相当清楚了。”16日，德国斯图加特马克斯·普朗克固体研究所的一个独立团队报告了6个合成的纯LK-99单晶。与之前依赖坩埚的合成尝试不同，这次使用了一种称为浮区晶体生长的技术。这使得研究人员能够避免在反应中引入硫，从而消除Cu2S杂质。结果是透明的紫色晶体——纯LK-99，或Pb8.8Cu1.2P6O25。与杂质分离后，LK-99不是超导体，而是电阻达数百万欧姆的绝缘体，对于标准电导率测试来说太高了。它显示出轻微的铁磁性和抗磁性，但不足以实现部分悬浮。“因此，我们排除了超导性的存在，”该团队总结道。研究小组认为，LK-99中出现的超导迹象是由Cu2S杂质引起的，而其晶体中不存在这种杂质。——