麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子（用箭头表示的球体）排列得比以前更紧密，最小可达50纳米。该研究小组计划利用这种方法将原子操纵到可以产生第一个纯磁性量子门的配置中--这是新型量子计算机的关键构件。在这张图片中，磁相互作用由彩色线条表示。图片来源：研究人员提供；麻省理工学院新闻他们通常的做法是将原子冷却到静止状态，然后用激光将粒子排列到相距500纳米的位置--这个限制是由光波长决定的。现在，麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子排列得更近，最小仅为50纳米。一个红血球的宽度约为1000纳米。物理学家在镝实验中展示了这种新方法，镝是自然界中磁性最强的原子。他们利用新方法操纵了两层镝原子，并将两层原子精确定位在50纳米之间。在这种极端接近的情况下，磁相互作用的强度是相隔500纳米的两层原子的1000倍。不同颜色的激光用于冷却和捕获镝原子。图片来源：研究人员提供更重要的是，科学家们能够测量原子接近所产生的两种新效应。它们增强的磁力导致了"热化"，即热量从一层传递到另一层，以及层间的同步振荡。当原子层之间的距离越远，这些效应就越弱。麻省理工学院约翰-麦克阿瑟物理学教授沃尔夫冈-凯特尔（WolfgangKetterle）说："我们已经把原子的间距从500纳米提高到50纳米，可以利用这一点做很多事情。在50纳米处，原子的行为有了很大的不同，我们正在进入一个新的领域。"凯特尔和他的同事说，这种新方法可以应用于许多其他原子，以研究量子现象。该研究小组计划利用这种技术将原子操纵成可以产生第一个纯磁性量子门的构型--这是新型量子计算机的关键构件。研究小组于5月2日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。该研究的共同作者包括第一作者、物理系研究生杜力，以及皮埃尔-巴拉尔、迈克尔-坎塔拉、朱利叶斯-德-洪德和卢宇坤--他们都是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心、物理系和电子研究实验室的成员。研究人员调整激光系统的控制电子装置。图片来源：研究人员提供为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度，然后使用激光束系统将原子集中到一个光学陷阱中。激光是一种具有特定波长（电场最大值之间的距离）和频率的电磁波。波长将光所能形成的最小图案限制在500纳米，即所谓的光学分辨率极限。由于原子会被特定频率的激光吸引，因此原子会被定位在激光强度的峰值点上。因此，现有技术对原子粒子的定位距离有限，无法用于探索更短距离内发生的现象。凯特尔解释说："传统技术止步于500纳米，受限的不是原子，而是光的波长。我们现在发现了一种新的光技巧，可以突破这一限制。"该团队的新方法与当前的技术一样，首先冷却原子云--在这种情况下，冷却到大约1微开尔文，仅比绝对零度高出一线--此时，原子接近静止。然后，物理学家可以使用激光将冻结的粒子移动到所需的构型中。然后，杜和他的合作者使用了两束激光，每束激光都有不同的频率（即颜色）和圆偏振（即激光电场的方向）。当这两束激光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光中任何一束的偏振，向相反的方向自旋。结果，两束激光产生了两组相同的原子，只是自旋方向相反。每束激光都形成了一个驻波，即空间周期为500纳米的电场强度周期性模式。由于它们的偏振不同，每个驻波都能根据原子的自旋吸引和俘获两组原子中的一组。激光可以叠加和调整，使其各自峰值之间的距离小到50纳米，这意味着被引力吸引到各自激光峰值的原子将被同样的50纳米分开。但要做到这一点，激光器必须非常稳定，不受任何外部噪音的影响，例如实验中的震动甚至呼吸声。研究小组意识到，他们可以通过一根光纤来引导这两束激光，从而使它们保持稳定。杜力说："通过光纤发送两束激光的想法意味着整台机器可能会剧烈晃动，但两束激光彼此保持绝对稳定。"作为对新技术的首次测试，研究小组使用了镝原子--一种稀土金属，它是元素周期表中磁性最强的元素之一，尤其是在超低温条件下。然而，在原子尺度上，该元素的磁相互作用在500纳米的距离上也相对较弱。就像普通冰箱磁铁一样，原子之间的磁吸引力会随着距离的增加而增加，科学家们怀疑，如果他们的新技术能将镝原子间隔到50纳米的距离，就可能观察到磁性原子之间原本微弱的相互作用。坎塔拉说："我们可能会突然产生磁相互作用，这种作用过去几乎可以忽略不计，但现在却非常强大。"研究小组将他们的技术应用于镝，首先对原子进行过冷处理，然后通过两束激光将原子分成两个自旋组或自旋层。他们发现，两层镝原子确实向各自的激光峰引力，这实际上将原子层分开了50纳米--这是任何超冷原子实验所能达到的最近距离。在这种极度接近的情况下，原子的自然磁性相互作用得到了显著增强，比相距500纳米的原子强1000倍。研究小组观察到，这些相互作用产生了两种新的量子现象：集体振荡，即一层的振动导致另一层同步振动；热化，即一层纯粹通过原子的磁波动将热量传递给另一层。杜指出："到目前为止，只有当原子处于同一物理空间并发生碰撞时，它们之间才能交换热量。现在，我们看到了被真空隔开的原子层，它们通过波动的磁场交换热量。"该团队的研究成果引入了一种新技术，可用于将多种类型的原子靠近放置。他们还表明，原子放置得足够近时，会表现出有趣的量子现象，可以利用这些现象来制造新的量子材料，并有可能制造出用于量子计算机的磁驱动原子系统。坎塔拉说："我们将超分辨率方法带入了这一领域，它将成为进行量子模拟的通用工具。可能有许多变体，我们正在研究这些变体"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430651.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430651.htm

莱斯大学施展量子奇迹：原子之舞让水晶也能变“磁铁”

莱斯大学施展量子奇迹：原子之舞让水晶也能变“磁铁”莱斯大学的研究利用手性声子实现了变革性的量子效应。量子材料是未来高速、高能效信息系统的关键。挖掘其变革潜力的问题在于，在固体中，大量原子往往会淹没电子所携带的奇异量子特性。量子材料科学家朱瀚宇实验室的研究人员发现，当原子绕圈运动时，它们也能创造奇迹：当稀土晶体中的原子晶格产生一种被称为手性声子的螺旋形振动时，晶体就会变成一块磁铁。圆偏振太赫兹光脉冲激发的手性声子在氟化铈中产生超快磁化。氟离子（红色、紫红色）在圆偏振太赫兹光脉冲（黄色螺旋）的作用下开始运动，其中红色表示手性声子模式下运动幅度最大的离子。铈离子用茶色表示。罗盘针代表旋转原子所引起的磁化。资料来源：MarioNorton和罗家明/莱斯大学根据最近发表在《科学》（Science）杂志上的一项研究，将氟化铈暴露在超快脉冲光下，其原子会跳起舞来，瞬间激发电子自旋，使它们与原子旋转对齐。这种排列需要强大的磁场才能激活，因为氟化铈具有天然顺磁性，即使在零度以下也能产生随机定向的自旋。每个电子都有一个磁性自旋，它就像一个嵌入材料中的微小罗盘针，会对局部磁场产生反应，莱斯大学材料科学家兼合著者鲍里斯-雅科布森（BorisYakobson）说。因为互为镜像而不会叠加，本不应该影响电子自旋的能量。但在这种情况下，原子晶格的手性运动会使材料内部的自旋极化，就像施加了一个大磁场一样"。BorisYakobson是莱斯大学KarlF.Hasselmann工程学教授、材料科学与纳米工程学教授以及化学教授。图片来源：JeffFitlow/莱斯大学虽然时间很短，但使自旋对齐的力却大大超过了光脉冲的持续时间。由于原子只在特定频率下旋转，并且在较低温度下移动的时间较长，与频率和温度相关的额外测量进一步证实，磁化是原子集体手性"舞蹈"的结果。朱瀚宇是莱斯大学威廉-马什-莱斯讲座教授兼材料科学与纳米工程助理教授。图片来源：JeffFitlow/莱斯大学"原子运动对电子的影响令人惊讶，因为电子比原子轻得多，速度也快得多，"莱斯大学威廉-马什-莱斯讲座教授、材料科学与纳米工程助理教授朱瀚宇说。"电子通常可以立即适应新的原子位置，忘记其先前的轨迹。如果原子顺时针或逆时针移动，即在时间上向前或向后移动，材料特性将保持不变--物理学家将这种现象称为时间逆对称性。"原子的集体运动打破了时间逆对称性，这一观点相对较新。目前，手性声子已在几种不同的材料中得到实验证明，但它们究竟如何影响材料特性还不甚明了。"我们希望定量测量手性声子对材料电学、光学和磁学特性的影响，"朱瀚宇说。"由于自旋指的是电子的旋转，而声子描述的是原子的旋转，因此人们天真地认为两者可能会相互影响。因此，我们决定重点研究一种叫做自旋-声子耦合的奇妙现象。"自旋-声子耦合在硬盘写入数据等实际应用中发挥着重要作用。今年早些时候，朱的研究小组在单分子层中展示了自旋-声子耦合的新实例，其中原子线性移动，自旋晃动。罗家明是莱斯大学应用物理学研究生，也是这项研究的第一作者。资料来源：JeffFitlow/莱斯大学在他们的新实验中，朱和团队成员必须找到一种方法来驱动原子晶格以手性方式运动。这就要求他们选择正确的材料，并在合作者理论计算的帮助下，以正确的频率产生光线，使其原子晶格旋转。这项研究的第一作者、应用物理学研究生罗佳明解释说："目前还没有现成的光源能达到我们的声子频率（约10太赫兹）。我们通过混合强红外光和扭曲电场来与手性声子'对话'，从而产生光脉冲。此外，我们还采取了另外两种红外光脉冲，分别监测自旋和原子运动。"除了从研究成果中获得有关自旋-声子耦合的见解外，实验设计和设置还将有助于为未来的磁性和量子材料研究提供信息。"我们希望定量测量手性声子产生的磁场能帮助我们制定实验方案，以研究动态材料中的新物理学，我们的目标是通过光或量子波动等外部场来设计自然界不存在的材料。林彤、朱汉宇和罗家明林彤（左起）、朱汉宇和罗家明在EQUAL实验室。图片来源：JeffFitlow/莱斯大学...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396195.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1396195.htm

MIT工程师发现控制原子核为 "量子比特"的新方法

MIT工程师发现控制原子核为"量子比特"的新方法今天最大的量子计算机只配备了几百个"量子比特"，即数字比特的量子等价物。图中说明了两束波长稍有不同的激光束可以影响原子核周围的电场，以一种推动该电场的方式，将原子核的自旋推向一个特定的方向，如箭头所示。现在，麻省理工学院的研究人员提出了一种新的方法来制造量子比特并控制它们读写数据。这种方法在现阶段是理论性的，它基于测量和控制原子核的自旋，使用来自两个颜色略有不同的激光器的光束。麻省理工学院博士生HaoweiXu、教授JuLi和PaolaCappellaro以及其他四人在《物理评论X》杂志上发表的一篇论文中描述了这些发现。长期以来，核自旋被认为是基于量子的信息处理和通信系统的潜在构件，而光子也是如此，它是电磁辐射的不连续包，或"量子"的基本粒子。但是哄骗这两个量子物体一起工作是很困难的，因为原子核和光子几乎没有互动，而且它们的自然频率相差六到九个数量级。在麻省理工学院团队开发的新工艺中，进入的激光束的频率差异与核自旋的过渡频率相匹配，促使核自旋以某种方式翻转。核科学与工程系教授卡佩拉罗说："我们已经找到了一种新的、强大的方法，将核自旋与来自激光的光子对接起来。这种新的耦合机制使它们的控制和测量成为可能，这使得使用核自旋作为量子比特成为更有前途的努力。"研究人员说，这个过程是完全可调整的。例如，其中一个激光器可以被调谐到与现有电信系统的频率相匹配，从而将核自旋变成量子中继器，实现长距离的量子通信。以前尝试用光来影响核自旋是间接的，而是耦合到该核周围的电子自旋，这反过来又会通过磁相互作用影响核。但这需要附近存在未配对的电子自旋，并导致核自旋的额外噪音。对于新方法，研究人员利用了许多核具有电四极的事实，这导致了与环境的电核四极互动。这种相互作用可以受到光的影响，以改变核本身的状态。"核自旋通常是相当弱的相互作用，"李说。"但是通过利用一些核具有电四极的事实，我们可以诱发这种二阶的非线性光学效应，直接耦合到核自旋，而没有任何中间的电子自旋。这使我们能够直接操纵核自旋"。除其他事项外，这可以允许精确识别甚至绘制材料的同位素，而拉曼光谱，一种基于类似物理学的成熟方法，可以识别材料的化学和结构，但不能识别同位素。研究人员说，这种能力可能有许多应用。至于量子存储器，目前正在使用或考虑用于量子计算的典型设备的相干时间--意味着存储的信息可以可靠地保持完整的时间--往往是以一秒钟的小数点来衡量。但在核自旋系统中，量子相干时间是以小时来衡量的。该团队说，由于光学光子被用于通过光纤网络进行长距离通信，因此将这些光子直接耦合到量子存储器或传感设备的能力可以为新的通信系统提供巨大的好处。此外，这种效应可以被用来提供一种将一组波长转换为另一组波长的有效方法。徐说："我们正在考虑使用核自旋进行微波光子和光学光子的转换，"他补充说，这可以为这种转换提供比其他方法更大的保真度。到目前为止，这项工作是理论上的，所以下一步是在实际的实验室设备中实现这一概念，可能首先是在一个光谱系统中。徐说："这可能是原则性验证实验的一个很好的候选者。他说，在此之后，他们将解决量子设备，如存储器或转导效应。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349317.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349317.htm

科学家将铟原子穿入纳米纤维束以创造灵活的纳米线

科学家将铟原子穿入纳米纤维束以创造灵活的纳米线图1.(a)三维TMC晶体结构，由TMC纳米纤维组成，周围是单原子行的插层元素。(b)单个TMC纳米纤维的端面和侧面图。氯化物为金色，过渡金属为绿色，插层元素为深紫色。资料来源：东京都立大学过渡金属卤化物（TMC）的原子线是由过渡金属和第16组元素如硫、硒和碲组成的纳米结构。它们能够自我组装成具有不同维度的广泛结构，使它们成为纳米材料革命的核心，是近年来激烈研究的焦点。特别是，一类三维TMC结构引起了人们的特别兴趣，它由一束束TMC纳米纤维组成，这些纤维之间由金属原子固定在一起，在其横截面上形成一个有序的晶格（见图1）。根据对金属的选择，该结构甚至可以成为一个超导体。此外，通过使纤维束变薄，它们可以被制成可导电的柔性结构：这使得TMC纳米结构成为纳米电路中用作布线的主要候选者。然而，要把这些结构做成深入研究它们所需的长而薄的纤维，以及用于纳米技术的应用，一直都很困难。图2：（a）碲化钨纳米纤维束和最终插层结构的原子结构示意图，以及扫描透射电子显微镜图像。(b)在硅衬底上合成的三维TMC纳米纤维。资料来源：东京都立大学由助理教授YusukeNakanishi和副教授YasumitsuMiyata领导的一个团队一直在研究TMC纳米结构的合成技术。在最近的工作中，他们表明，他们可以在前所未有的大长度尺度上生产长而薄的TMC束（不含金属）。现在，他们已经使用气相反应将原子级的薄排铟穿入薄的碲化钨束。通过在500摄氏度的真空条件下将他们的长纳米纤维束暴露在铟蒸气中，金属铟原子进入构成纤维束的各个纳米纤维之间的空间，形成一个夹层（或桥接）的铟行，将纤维结合在一起。在成功地生产出大量的这些线状TMC束后，他们开始研究他们的新纳米线的特性。通过观察电阻率与温度的关系，测量数据确凿地表明，单个线束的行为像金属一样，因此能导电。这与计算机模拟结果一致，同时也证明了这些结构的有序性。有趣的是，他们发现这种结构与成批捆绑的纳米纤维略有不同，因为夹层行导致每个纳米纤维围绕其轴线轻微旋转。该团队的技术不仅限于铟和碲化钨，也不仅限于这种特定的结构。他们希望他们的工作可能会给纳米材料的开发和对其独特性能的研究带来新的篇章。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1347753.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1347753.htm

量子照明：先进设备可产生单光子并用于编码信息

量子照明：先进设备可产生单光子并用于编码信息洛斯阿拉莫斯国家实验室（LosAlamosNationalLaboratory）的科学家团队将两种不同的原子薄材料堆叠在一起，实现了一种手性量子光源。这种量子光发射器的新方法可产生圆偏振单光子流或光粒子流，可用于一系列量子信息和通信应用。洛斯阿拉莫斯国家实验室科学家HanHtoon说："我们的研究表明，单层半导体有可能在没有外部磁场的帮助下发射圆偏振光。以前只有通过大型超导磁体产生的高磁场、将量子发射器与非常复杂的纳米级光子学结构耦合或向量子发射器注入自旋偏振载流子才能实现这种效果，而我们的近程效应方法具有低成本制造和可靠性高的优势"。偏振态是对光子进行编码的一种手段，因此这一成果是朝着量子密码学或量子通信方向迈出的重要一步。有了一个既能产生单光子流又能引入偏振的光源，基本上就把两种设备合二为一了。手性量子光发射是在两种不同层状材料（一种单层半导体和一种反铁磁晶体）的叠层中形成的，从材料中升起，可用于量子信息和通信应用。资料来源：洛斯阿拉莫斯国家实验室压痕是光致发光的关键正如发表在《自然-材料》（NatureMaterials）杂志上的一篇论文所描述的，研究团队在集成纳米技术中心（CenterforIntegratedNanotechnologies）工作，将单分子厚的二硒化钨半导体层堆叠在更厚的三硫化镍磷磁性半导体层上。博士后助理研究员李向志利用原子力显微镜在这层薄薄的材料上制造出了一系列纳米级的压痕。这些压痕的直径约为400纳米，因此200多个这样的压痕可以很容易地穿过一根头发的宽度。事实证明，当激光聚焦在这堆材料上时，原子显微镜工具产生的压痕会产生两种效果。首先，压痕在势能图中形成了一个井或凹陷。二硒化钨单层的电子落入凹陷处。这刺激了井中单光子流的发射。纳米压痕还破坏了底层三硫化二磷镍晶体的典型磁性，产生了一个局部磁矩，从材料中指向上方。该磁矩使发射的光子产生圆极化。为了在实验中证实这一机制，研究小组首先与位于洛斯阿拉莫斯的国家高磁场实验室脉冲磁场设备合作，进行了高磁场光学光谱实验。然后，研究小组与瑞士巴塞尔大学合作测量了局部磁矩的微小磁场。实验证明，研究小组成功地展示了一种控制单光子流偏振态的新方法。量子信息编码研究小组目前正在探索如何通过施加电刺激或微波刺激来调节单光子的圆偏振程度。这种能力将提供一种将量子信息编码到光子流中的方法。进一步将光子流耦合到波导--光的微观管道--将提供允许光子单向传播的光子电路。这种电路将成为超安全量子互联网的基本构件。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379591.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379591.htm

二维材料中首次实现核自旋量子位控制

二维材料中首次实现核自旋量子位控制据15日发表在《自然·材料》上的论文，美国普渡大学的研究人员通过使用光子和电子自旋量子位来控制二维（2D）材料中的核自旋，实现了在2D材料中写入和读取带有核自旋的量子信息。他们用电子自旋量子位作为原子尺度的传感器，首次在超薄六方氮化硼中实现了对核自旋量子位的实验控制。该研究工作拓展了量子科学和技术的前沿，使原子尺度的核磁共振光谱等应用成为可能。研究人员表示，这是第一个展示2D材料中核自旋的光学初始化和相干控制的工作。自旋量子位可以被用作传感器，例如探测蛋白质结构，或者以纳米级分辨率探测目标的温度。捕获在3D金刚石晶体缺陷中的电子能产生10—100纳米范围的成像和传感分辨率，而嵌入在单层或2D材料中的量子位可更接近目标样本，提供更高的分辨率和更强的信号。为实现这一目标，2019年，六方氮化硼中的第一个电子自旋量子位诞生。此次，研究团队在超薄六方氮化硼中建立了光子和核自旋之间的界面。核自旋可以通过周围的电子自旋量子位进行光学初始化——设置为已知的自旋。一旦被初始化，就可以用无线电频率来改变核自旋量子位，本质上是“写入”信息，或者测量核自旋量子位的变化，即“读取”信息。他们的方法一次利用3个氮原子核，其相干时间是室温下的电子量子位的30多倍。2D材料可以直接层叠在另一种材料上，从而形成一个内置的传感器。研究人员表示，2D核自旋晶格适用于大规模的量子模拟。它可在较高的温度下工作。为控制核自旋量子位，研究人员首先从晶格中移除一个硼原子，并用一个电子取代它。电子位于3个氮原子的中心。每个氮核都处于随机自旋态，可以是-1、0或+1。研究人员用激光将电子泵浦到自旋态为0，这对氮核的自旋影响可忽略不计。最后，受激电子与周围的3个氮核之间的超精细相互作用迫使原子核的自旋发生变化。当循环重复多次时，原子核的自旋达到+1状态，无论重复相互作用如何，它都保持不变。当所有3个原子核都设置为+1状态时，它们就可用作3个量子位。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1304905.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1304905.htm