德中科学家合作在半导体纳米结构中实现新型量子比特

德中科学家合作在半导体纳米结构中实现新型量子比特研究小组成功地在半导体纳米结构中产生了量子位。研究人员利用一种特殊的能量转换，在量子点（半导体的一个微小区域）中产生了一种叠加态，其中一个电子空穴同时拥有两个不同的能级。这种叠加态是量子计算的基础。以前，要诱导这种状态，必须使用能够发射太赫兹范围光线的大型自由电子激光器。遗憾的是，这种波长太长，无法将光束准确聚焦到量子点上。不过，该团队利用两个经过仔细校准的短波长激光脉冲实现了激发。以杭州浙江大学的刘锋为首的研究小组与波鸿鲁尔大学的阿尔内-路德维希博士领导的研究小组以及其他来自中国和英国的研究人员一起，在2023年7月24日在线出版的《自然-纳米技术》杂志上报告了他们的研究成果。研究人员成功地在一种半导体纳米结构中创建了一种量子叠加态，它可能成为量子计算的基础。诀窍在于：两个光学激光脉冲可作为一个太赫兹激光脉冲。(波鸿研究团队：Hans-GeorgBabin（左）和ArneLudwig）。资料来源：RUB，Marquard为了实现这种叠加态，研究人员利用了辐射奥格转变。在这一过程中，一个电子与一个空穴重新结合，部分能量以光子形式释放，部分能量转移到另一个电子上。电子空穴--换句话说，缺失的电子--也会发生同样的过程。2021年，一个研究小组首次成功地专门激发了半导体中的辐射奥杰转变。在当前的项目中，研究人员证明了辐射奥杰过程可以被相干驱动：他们使用了两束不同的激光，其强度相互之间有特定的比例。通过第一束激光，他们激发了量子点中的电子-空穴对，产生了由两个空穴和一个电子组成的准粒子。利用第二束激光，他们触发了辐射奥杰过程，将一个空穴提升到一系列更高的能量状态。研究人员利用微调激光脉冲在空穴基态和高能态之间产生叠加。这样，空穴就同时存在于这两种状态中。这种叠加是量子比特的基础，与传统比特不同，量子比特不仅存在于"0"和"1"两种状态，而且还存在于这两种状态的叠加中。汉斯-格奥尔格-巴宾（Hans-GeorgBabin）在波鸿鲁尔大学由安德烈亚斯-维克（AndreasWieck）教授领导的应用固体物理教席的阿尔内-路德维希（ArneLudwig）博士的指导下，制作了用于实验的高纯度半导体样品。在此过程中，研究人员提高了量子点的集合均匀性，并确保了所生产结构的高纯度。这些措施为与严俊勇和刘峰合作的中国合作伙伴进行实验提供了便利。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374897.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374897.htm

科学家运用太赫兹技术开启量子传感之门

科学家运用太赫兹技术开启量子传感之门图为莱斯大学新兴量子和超快材料实验室研究生徐睿制作的三个超快太赫兹场聚光器样品。底层（白色正方形可见）由钛酸锶制成，其表面图案为聚光器结构--可集中太赫兹频率红外光的微观同心圆阵列。这些阵列在显微镜下清晰可见（插图），但用肉眼观察时，就像细粒度的点状图案。图片来源：GustavoRaskosky拍摄/RuiXu/莱斯大学添加插图识别光谱中的差距莱斯大学三年级博士生、最近发表在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上的一篇文章的第一作者徐睿说："中红外光和远红外光存在明显的差距，大约在5-15太赫兹的频率和20-60微米的波长范围内，与较高的光学频率和较低的无线电频率相比，目前还没有很好的商业产品。"这项研究是在威廉-马什-莱斯讲座教授、材料科学与纳米工程助理教授朱涵宇（HanyuZhu）的新兴量子与超快材料实验室进行的。量子准电透镜（截面图），可聚焦频率为5-15太赫兹的光脉冲。传入的太赫兹光脉冲（红色，左上角）通过钛酸锶（蓝色）基底上的环形聚合物光栅和圆盘谐振器（灰色）转换成表面声子-极化子（黄色三角形）。黄色三角形的宽度表示声子-极化子在到达用于聚焦和增强出射光的圆盘谐振器（右上角红色）之前，通过每个光栅间隔传播时电场的增加。左下方的钛酸锶分子原子结构模型描述了声子-极化子振荡模式中钛（蓝色）、氧（红色）和锶（绿色）原子的运动。图片来源：Zhu实验室/莱斯大学提供太赫兹间隙的重要性和挑战Zhu说："这一频率区域的光学技术--有时被称为'新太赫兹间隙'，因为它远比0.3-30太赫兹'间隙'中的其他频率区域更难以接近--对于研究和开发用于接近室温的量子电子学的量子材料，以及感知生物分子中的功能基团以进行医学诊断，可能非常有用。"研究人员面临的挑战一直是找到合适的材料来承载和处理"新太赫兹间隙"中的光。这种光会与大多数材料的原子结构产生强烈的相互作用，并很快被它们吸收。莱斯大学材料科学与纳米工程系学生RuiXu是一项研究的第一作者，该研究表明钛酸锶有可能在3-19太赫兹频率下实现高效光子设备。图片来源：GustavoRaskosky拍摄/莱斯大学钛酸锶和量子顺电性Zhu的研究小组利用钛酸锶（一种锶和钛的氧化物）将强相互作用转化为优势。Xu说："它的原子与太赫兹光的耦合如此强烈，以至于形成了被称为声子-极化子的新粒子，这些粒子被限制在材料表面，不会在材料内部消失。"其他材料支持更高频率的声子-极化子，而且通常支持的范围很窄，而钛酸锶则不同，它支持整个5-15太赫兹间隙的声子-极化子，这是因为钛酸锶具有一种称为量子顺电性的特性。钛酸锶的原子表现出巨大的量子波动和随机振动，因此能有效捕捉光线，而不会被捕捉到的光线自我捕获，即使在零开尔文温度下也是如此。"我们通过设计和制造超快场聚光器，证明了钛酸锶声子-极化子器件在7-13太赫兹频率范围内的概念，"Xu说。"这种器件能将光脉冲挤压到小于光波长的体积内，并保持较短的持续时间。因此，我们实现了每米近千兆伏的强瞬态电场。HanyuZhu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摄影/莱斯大学未来影响与应用电场是如此之强，以至于它可以用来改变材料的结构，从而产生新的电子特性，或者从微量的特定分子中产生新的非线性光学响应，这种响应可以用普通的光学显微镜检测到。Zhu说，他的研究小组开发的设计和制造方法适用于许多市售材料，可以实现3-19太赫兹范围内的光子设备。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378127.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378127.htm

科学家用光电谐振器带来蛋白质和材料的超快速电子表征

科学家用光电谐振器带来蛋白质和材料的超快速电子表征为了研究蛋白质--例如，在确定其生物作用机制时--研究人员需要了解样品中单个原子的运动。这很困难，不仅是因为原子是如此之小，而且还因为这种重新排列通常发生在皮秒，即万亿分之一秒。检查这些系统的一种方法是用超快的激光激发它们，然后立即用非常短的电子脉冲探测它们。根据电子在样品上的散射方式与激光和电子脉冲之间的延迟时间的关系，研究人员可以获得大量关于原子动态的信息。然而，表征初始电子脉冲是困难的，需要复杂的设置或高功率的太赫兹辐射。现在，筑波大学的一个研究小组利用一个光学谐振器来增强用晶体产生的太赫兹（THz）光脉冲的电场，这减少了表征电子脉冲持续时间所需的太赫兹光。太赫兹辐射指的是波长介于红外线和微波之间的光束。"对探测电子脉冲的精确表征是至关重要的，因为它持续的时间更长，而且与启动原子运动的激发激光束相比，通常更难控制，"共同作者YusukeArashida教授解释说。类似于一个具有正确声学的房间可以放大声音的感觉，一个谐振器可以增强波长与其大小和形状相匹配的太赫兹辐射的振幅。在这种情况下，该团队使用了一个蝴蝶形的谐振器，这是之前由一个独立研究小组设计的，用来集中脉冲的能量。通过模拟，他们发现电场增强集中在蝴蝶的"头"和"尾"的位置。他们发现，他们可以使用太赫兹条纹法测量电子脉冲持续时间，最高可达1皮秒以上。这种方法利用入射光线将电子脉冲沿垂直方向散开。在相机中形成一个"条纹"，时间信息现在被编码到所产生图像的空间分布中。高级作者MasakiHada教授说："使用电子脉冲的超快测量可以显示分子或材料的原子级结构动态，因为它们在被激光激发后会放松。"使用这种具有弱太赫兹场和几千伏/厘米强度的共振器被证明足以表征皮秒时间尺度的电子脉冲。这项工作可能会发展出对极短时间尺度的原子级运动进行更有效的检查，有可能有助于对生物分子或工业材料的研究。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1335997.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1335997.htm

德国科学家研发出水基电路概念开关 比半导体效率高得多

德国科学家研发出水基电路概念开关比半导体效率高得多现在，波鸿鲁尔大学的研究人员已经开发出一种新型的电路，其开关速度比现有的半导体材料快得多。令人惊讶的是，关键成分是水，其中溶解了碘化物离子。一个定制的喷嘴将这些水扇出，形成一个只有几微米厚的扁平射流。接下来，一个短而有力的激光脉冲被发射到水柱中。这将使电子从溶解的盐中跳出，从本质上提高了水的导电性。第二个激光器可以读回水的状态，提供现有晶体管的"开"和"关"选项。由于激光脉冲是如此之快，水可以在皮秒（万亿分之一秒）的时间内切换状态。这意味着潜在的计算机速度在太赫兹（THz）范围内--也就是1000GHz，这比任何现有半导体的开关速度都快得多。当然，目前这只是一个概念，而基于水的电路究竟如何能够实际扩大规模还有待观察，但这仍然是一个引人入胜的想法。该研究发表在《APL光子学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1335337.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1335337.htm

照亮高速计算之路：太赫兹激光脉冲改变了铁磁现象

照亮高速计算之路：太赫兹激光脉冲改变了铁磁现象YTiO3是一种过渡金属氧化物，只有在27K或-246摄氏度以下才会变成铁磁性，其特性类似于冰箱磁铁。在这些低温下，钛原子上的电子自旋向一个特定方向排列。正是这种自旋的集体排序使整个材料具有宏观上的磁化，并使其变成铁磁性。相反，在27K以上的温度下，单个自旋随机波动，因此没有铁磁性的发展。利用德国汉堡马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所（MPSD）开发的强大的太赫兹光源，研究小组成功地在YTiO3中实现了铁磁性，温度高达近100K（-193°C），这远远高于其正常转变温度。光诱导的状态也持续了许多纳秒。强烈的光脉冲被设计为以协调的方式"摇动"材料的原子，使电子能够对齐它们的自旋。"脉冲的频率被调整为驱动YTiO3晶格的特定振动，称为声子，"主要作者AnkitDisa解释说。"我们发现，当我们以9太赫兹的自然频率激发一个特定的声子时，自旋的集体秩序和电子的轨道被修改，导致了对铁磁状态的更大倾向。当驱动其他声子时，我们观察到完全不同的结果：在4太赫兹激发一个声子实际上会恶化铁磁性，而在17太赫兹激发一个声子会增强铁磁性--但不像9太赫兹声子那样强烈。"在通常的过渡温度27K以下，9THz声子的激发大大增加了磁化，将其提高了约20%，达到了理论最大值--这是迄今为止尚未达到的水平。这些实验中使用的太赫兹源提供了强烈的脉冲，并且能够激发材料中一个非常狭窄的频率区域，使其成为一个极其精确的工具。它已经被部署在其他几个由MPSD领导的关于光增强超导性和磁性的研究中。然而，这项工作首次揭示了通过激发一系列晶格振动可以产生质量上不同的效果。除了加深科学家对强烈和超快的光-物质相互作用的理解外，这些结果是走向磁性元件的光学控制的重要垫脚石。MPSD凝聚态物质动力学部主任AndreaCavalleri解释说："这项工作不仅展示了按需开关磁性，它还让我们预见到了在超高速存储和处理信息时可以做什么。"除了这个演示，我们的工作还强调了在无序的、波动的物质相中创造秩序的能力，类似于用光来冻结水。控制这些过程一直是我们小组的一个长期目标。多年来，我们已经报告了一些其他的实现，包括光诱导高温超导性和光诱导铁电性。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358845.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358845.htm

科学家发明韧性超强的新型氧化物玻璃

科学家发明韧性超强的新型氧化物玻璃在许多方面，玻璃都是现代技术中极具吸引力的材料。然而，玻璃固有的脆性使其容易出现裂缝和断裂，从而限制了其潜在的应用领域。为了在保留玻璃的优势特性的同时大幅提高其韧性，相关研究在很大程度上都未能取得预期成果。创新方法和工艺科学杂志《自然-材料》（NatureMaterials）上介绍的新方法从氧化物玻璃入手，这种玻璃具有相当紊乱的内部结构，是商业应用最广泛的玻璃材料。以含有硅、铝、硼和氧的硅酸铝为例，德国和中国的研究团队现已成功赋予其新的结构。为此，他们在拜罗伊特大学巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所（BGI）采用了高压和高温技术。玻璃状（左）和准晶状（右）毛玻璃的模拟结构。氧、硅、铝和钙元素的原子（从小到大）在周围结构中的有序程度越高，颜色越浅。图片来源：HuTang在10到15千兆帕的压力和大约1000摄氏度的温度下，硅、铝、硼和氧原子聚集在一起，形成类似晶体的结构。这些结构被称为"准晶体"，因为它们与完全不规则的结构差别很大，但它们并不接近晶体的清晰规则结构。利用光谱技术进行的经验分析和理论计算都清楚地显示了这种介于晶体结构和无定形不规则结构之间的中间状态。副结晶的影响即使将压力和温度降至正常环境条件下，铝硅酸盐玻璃中的副晶体结构依然存在。这些结构渗入玻璃后，玻璃的韧性比副结晶化之前高出许多倍。现在的韧性值高达1,99±0,06MPa(m)¹/²。这是氧化物玻璃前所未有的韧性。同时，玻璃的透明度并没有受到副晶结构的严重影响。该研究的第一作者HuTang博士在巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所(BGI)的高压压力机前。图片来源：UBT/Chr.研究人员解释说，玻璃的超常强化是由于从外部作用于玻璃的力，通常会导致玻璃破裂或内部裂缝，而现在主要是针对准晶体结构。它们溶解了这些结构的部分区域，并将它们变回无定形的随机状态。这样，玻璃作为一个整体就获得了更大的内部可塑性，因此在受到这些甚至更强的外力时也不会破裂或开裂。未来展望新研究的第一作者HuTang博士说："我们的发现强调了一种开发高耐受性玻璃材料的有效策略，我们计划在未来几年内继续开展这方面的研究。""副结晶导致的韧性增加表明，原子层面的结构变化会对氧化物玻璃的性能产生重大影响。"巴伐利亚实验地球化学和地球物理研究所的TomooKatsura教授博士补充说："在这个层面上，玻璃作为一种远未枯竭的材料，具有优化的巨大潜力。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379727.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379727.htm