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

研究人员开发出一种可以提高量子电阻标准性能的方法

研究人员开发出一种可以提高量子电阻标准性能的方法在电子产品的工业生产中，例如在高科技传感器、微芯片和飞行控制器的制造中，精确测量电阻是必不可少的。维尔茨堡大学（JMU）拓扑绝缘体研究所的物理学家查尔斯-古尔德（CharlesGould）教授解释说："非常精确的测量在这里至关重要，因为即使是最小的偏差也会对这些复杂的系统产生重大影响。有了我们的新测量方法，我们就可以利用量子反常霍尔效应（QAHE），在没有任何外部磁场的情况下，大幅提高电阻测量的精度"。新方法的运作方式许多人可能还记得物理课上的经典霍尔效应：当电流流过导体并将其暴露在磁场中时，就会产生电压，即所谓的霍尔电压。将该电压除以电流得到的霍尔电阻会随着磁场强度的增加而增大。在薄层中和足够大的磁场中，霍尔电阻开始出现阶跃，其值恰好为h/ne2，其中h为普朗克常数，e为基本电荷，n为整数。这就是所谓的量子霍尔效应，因为电阻只取决于自然界的基本常数（h和e），因此它是一个理想的标准电阻器。QAHE的特别之处在于它可以在零磁场条件下产生量子霍尔效应。"在没有任何外部磁场的情况下运行，不仅简化了实验，而且在确定另一个物理量：千克时也具有优势。要确定千克，必须同时测量电阻和电压，"古尔德说，"但测量电压只有在没有磁场的情况下才能进行，因此量子霍尔效应是这方面的理想选择。"迄今为止，QAHE只能在电流过低的情况下进行测量，而电流过低则无法用于实际计量。究其原因，是在较高电流下的电场干扰了QAHE。维尔茨堡的物理学家们现在已经找到了解决这一问题的方法。古尔德解释说："我们在一个被称为多端科比诺装置的几何结构中使用两个独立的电流来中和电场。有了这一新技巧，电阻在更大的电流下仍可量化为h/e2，从而使基于QAHE的电阻标准更加稳健"。"在实际应用的道路上在可行性研究中，研究人员能够证明新的测量方法能够达到基本直流电技术的精度水平。他们的下一个目标是使用更精确的计量工具来测试这种方法的可行性。为此，维尔茨堡小组正与专门从事此类超精密计量测量的德国国家计量研究院（PTB）密切合作。这种方法并不局限于量子霍尔效应。鉴于传统的量子霍尔效应在足够大的电流下也会遇到类似的电场驱动限制，因此这种方法还可以改进现有的计量标准，用于更大电流的应用。编译来源：ScitechDailyDOI:10.1038/s41928-024-01156-6...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427986.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427986.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

利用缺陷的隐藏力量：开拓热绝缘体的能源效率

利用缺陷的隐藏力量：开拓热绝缘体的能源效率研究人员发现，微观上的局部缺陷对绝缘体的热传导有很大影响。这一发现来自于对众多晶体材料的超级计算机辅助研究，可以通过缺陷工程推进更节能的纳米级热绝缘体的设计。这些材料使我们能够保留和利用否则会被浪费的热量。因此，改善高隔热材料的设计是实现更多能源效率应用的关键研究目标。碘化铜中临时形成的缺陷对。虽然这些缺陷只存活了几皮秒，即一万亿分之一秒，但它们对宏观的热传输过程有很大影响。资料来源：©FlorianKnoop，NOMAD实验室然而，设计强大的热绝缘体远非易事，尽管基本的基本物理定律已经知道了近一个世纪。在微观层面上，半导体和绝缘体中的热传输被理解为原子围绕其在晶格中的平衡位置进行的集体振荡。这些振荡，在该领域被称为"声子"，涉及固体材料中的数十亿个原子，因此涵盖了大的、几乎是宏观的长度和时间尺度。在最近发表在《物理评论B》（编辑建议）和《物理评论通讯》上的一篇联合文章中，来自弗里茨-哈伯研究所NOMAD实验室的研究人员推进了计算的可能性，在没有实验输入的情况下以前所未有的精度计算热导率。他们证明，对于强热绝缘体，上述的声子图景是不合适的。他们利用马克斯-普朗克协会、北德超级计算联盟和尤利希超级计算中心的超级计算机进行大规模计算，扫描了超过465种晶体材料，这些材料的热导率尚未被测量。除了发现28种强热绝缘体，其中6种具有与木材相当的超低热导率，这项研究还揭示了迄今为止通常被忽视的允许系统性降低热导率的机制。"我们观察到缺陷结构的暂时形成，它在极短的时间内对原子运动产生了巨大的影响，"两篇论文的第一作者FlorianKnoop博士（现为林雪平大学）说。"这种影响通常在热传导模拟中被忽略，因为这些缺陷是如此短暂，而且与典型的热传输尺度相比是如此微观的局部，所以它们被认为是不相关的。然而，所进行的计算显示，它们引发了较低的热导率，"该研究的资深作者ChristianCarbogno博士补充说。这些见解可能为通过缺陷工程在纳米水平上微调和设计热绝缘体提供了新的机会，有可能为节能技术的进步作出贡献。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366191.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366191.htm