研究人员实现“kagome”量子材料中电子自旋的首次测量

研究人员实现“kagome”量子材料中电子自旋的首次测量科学家的国际合作取得了成功，物理和天文学系“AugustoRighi”教授DomenicoDiSante参与了博洛尼亚大学的居里夫人BITMAP研究项目。CNR-IOMTrieste、Ca'Foscari威尼斯大学、米兰大学、维尔茨堡大学（德国）、圣安德鲁斯大学（英国）、波士顿学院和加州大学圣巴巴拉分校（美国）的同事也加入了他的行列).通过先进的实验技术，利用粒子加速器同步加速器产生的光，以及对物质行为进行建模的现代技术，学者们首次能够测量与拓扑概念相关的电子自旋。电子在其上移动的表面的三个视角。左边是实验结果，中间是理论模型，右边是理论模型。红色和蓝色代表电子速度的量度。理论和实验都反映了晶体的对称性，与日本传统“kagome”篮子的质地非常相似。图片来源：博洛尼亚大学“如果我们拿两个物体，例如足球和甜甜圈，我们会注意到它们的特定形状决定了不同的拓扑特性，例如，因为甜甜圈有洞，而足球没有，”DomenicoDiSante解释道。“同样，电子在材料中的行为受到某些量子特性的影响，这些量子特性决定了它们在其中发现的物质中的旋转，类似于宇宙中光的轨迹如何被恒星、黑洞、黑暗的存在所改变物质和暗能量，它们可以弯曲时间和空间。”尽管电子的这一特性早已为人所知多年，但直到现在还没有人能够直接测量这种“拓扑自旋”。为实现这一目标，研究人员利用了一种称为“圆二色性”的特殊效应：一种只能与同步加速器源一起使用的特殊实验技术，它利用材料根据其偏振吸收不同光的能力。学者们特别关注“kagome材料”，这是一类量子材料，因其类似于构成日本传统篮子的交织竹线编织（实际上称为“kagome”）而得名。这些材料正在彻底改变量子物理学，所获得的结果可以帮助我们更多地了解它们特殊的磁性、拓扑和超导特性。“由于实验实践和理论分析之间的强大协同作用，这些重要结果成为可能，”DiSante补充道。“该团队的理论研究人员采用了复杂的量子模拟，只有使用强大的超级计算机才有可能，并以这种方式将他们的实验同事引导到可以测量圆二色性效应的材料的特定区域。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366003.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366003.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

开创性的实验方法揭开了二维材料中自旋结构的秘密

开创性的实验方法揭开了二维材料中自旋结构的秘密研究人员发现了一种新的实验技术来研究二维量子材料中的电子自旋特性，克服了一个长期的挑战，并有可能使基于这些材料的先进计算和通信技术得到发展。资料来源：李佳/布朗大学阻碍科学家们测量电子自旋的典型方法--一种使物理宇宙中的一切具有结构的基本行为--通常在二维材料中不起作用。这使得充分了解这些材料并推动基于它们的技术进步变得异常困难。但是由布朗大学研究人员领导的一个科学家团队认为他们现在有办法解决这一长期的挑战。他们在5月11日发表在《自然-物理》杂志上的一项新研究中描述了他们的解决方案。在这项研究中，该团队--其中还包括来自桑迪亚国家实验室综合纳米技术中心和因斯布鲁克大学的科学家--描述了他们认为是第一次显示二维材料中旋转的电子与来自微波辐射的光子之间直接互动的测量。据研究人员称，电子对微波光子的吸收被称为耦合，它建立了一种新的实验技术，用于直接研究电子在这些二维量子材料中如何旋转的特性--这种技术可以作为开发基于这些材料的计算和通信技术的基础。"自旋结构是量子现象中最重要的部分，但我们从来没有真正在这些二维材料中直接探测过它，"布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者李佳说。"这一挑战使我们在过去20年里无法从理论上研究这些迷人的材料中的自旋。我们现在可以用这种方法来研究很多以前无法研究的不同系统。"研究人员在一种相对较新的二维材料上进行了测量，这种材料被称为"魔角"扭曲双层石墨烯。这种基于石墨烯的材料是在两片超薄的碳层堆叠并扭曲到恰到好处的角度时产生的，将新的双层结构转化为一种超导体，使电力流动没有阻力或能量浪费。2018年刚刚发现，研究人员专注于这种材料，因为围绕它的潜力和神秘感。"2018年提出的很多重大问题仍未得到解答，"领导这项工作的布朗大学Li实验室的研究生ErinMorissette说。物理学家通常使用核磁共振或NMR来测量电子的自旋。他们通过使用微波辐射激发样品材料的核磁特性，然后读取这种辐射引起的不同特征来测量自旋。二维材料所面临的挑战是，电子对微波激发的磁性特征太小，无法检测。该研究小组决定随机应变。他们没有直接检测电子的磁化，而是使用布朗大学分子和纳米创新研究所制造的设备测量电子电阻的细微变化，这些变化是由辐射的磁化变化引起的。电子电流流动的这些细微变化使研究人员能够使用该设备检测电子正在吸收微波辐射的照片。研究人员能够从实验中观察到新的信息。例如，研究小组注意到，光子和电子之间的相互作用使该系统某些部分的电子表现得像在反铁磁系统中一样--这意味着一些原子的磁性被一组以相反方向排列的磁性原子所抵消了。研究二维材料中自旋的新方法和目前的发现不会适用于今天的技术，但研究小组看到了该方法在未来可能导致的潜在应用。他们计划继续将他们的方法应用于扭曲的双层石墨烯，但也将其扩展到其他二维材料。Morissette说："这是一个真正多样化的工具集，我们可以用它来获取这些强相关系统中电子秩序的一个重要部分，并在总体上理解电子在二维材料中的行为。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1360033.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1360033.htm

研究人员发现一种具有类似大脑学习能力的材料

研究人员发现一种具有类似大脑学习能力的材料瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）电力与宽带隙电子研究实验室(POWERlab)的博士生MohammadSamizadehNikoo在研究二氧化钒的相变期间，有了一个意外的发现。当在室温下时，二氧化硅有一个绝缘相，并在68℃时经历一个尖锐的绝缘体到金属的转变，其晶格结构发生变化。根据SamizadehNikoo的说法，二氧化硅有一种不稳定的“记忆”。"材料在移除激发后会立即恢复到绝缘状态"。他开始为他的论文寻找二氧化钒从一种状态转变为另一种状态需要多长时间。然而，他的调查出现了不同的变化：在收集了数百个测量数据后，他发现了材料结构中的“记忆效应”。在他的实验中，SamizadehNikoo向一个二氧化硅样品施加了电流。他解释说：“电流在材料上移动，沿着一条路径，直到它在另一侧退出。当电流加热样品时，二氧化硅的状态发生了变化。在电流消失后，该材料又回到了原来的状态。”SamizadehNikoo随后向该材料提供了第二个电流脉冲，并发现它改变状态的时间与该材料的历史密切相关。“二氧化钒似乎‘记住’了第一次相变，并预测下一次相变，”POWERlab的负责人ElisonMatioli教授解释说。“我们没有想到会看到这种记忆效应，而且它与电子状态无关，而是与材料的物理结构有关。这是一个新的发现：没有其他材料以这种方式表现出来。”研究人员发现，二氧化钒可能会回忆其最近的外部刺激，时间长达3小时。Matioli说：“事实上，记忆效应可能持续数天，但我们目前没有测量这种效应所需的仪器。”研究小组的这一发现具有重要意义，因为所发现的记忆效应是材料本身的一个固有属性。工程师们依靠记忆来完成各种计算，而可能通过提高容量、速度和小型化来改善计算过程的材料是非常需要的。二氧化钒能满足所有这三个条件。此外，其连续的、结构性的记忆使其区别于典型的材料，后者将数据存储为二进制信息，取决于对电状态的操作。研究人员进行了大量的测量以得出他们的结论。他们还通过将新方法应用于世界各地其他实验室的不同材料来证实他们的结果。这一发现很好地复制了大脑中发生的情况，因为二氧化钒“开关”的作用就像神经元。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1312791.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1312791.htm

研究人员通过观察"魔角"石墨烯的自旋结构解决了长期存在的障碍

研究人员通过观察"魔角"石墨烯的自旋结构解决了长期存在的障碍然而，一个主要的障碍是科学家们用来测量电子自旋的标准方法--一种赋予宇宙万物结构的基本行为--通常在二维材料中不起作用。这使得全面了解这种材料并在此基础上推动技术进步变得异常困难。但布朗大学研究人员领导的科学家团队相信，他们现在有办法解决这一长期存在的难题。他们在发表于《自然-物理》（NaturePhysics）的一项新研究中描述了他们的解决方案。在这项研究中，该研究小组--其中还包括来自桑迪亚国家实验室集成纳米技术中心和因斯布鲁克大学的科学家描述了他们认为是首次显示二维材料中旋转的电子与来自微波辐射的光子之间直接相互作用的测量结果。研究人员称，电子吸收微波光子被称为耦合，它为直接研究二维量子材料中电子如何自旋的特性提供了一种新的实验技术--这种技术可以作为开发基于这些材料的计算和通信技术的基础。"自旋结构是量子现象中最重要的部分，但我们从未真正在这些二维材料中对其进行过直接探测，"布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者李嘉说。布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者李嘉说："过去二十年来，这一挑战阻碍了我们从理论上研究这些迷人材料中的自旋。我们现在可以用这种方法来研究许多我们以前无法研究的不同系统。"研究人员在一种名为"魔角"扭曲双层石墨烯的相对较新的二维材料上进行了测量。这种基于石墨烯的材料是由两片超薄的碳层堆叠而成，并以恰到好处的角度扭曲，从而将新的双层结构转化为超导体，使电流流动时没有阻力或能量浪费。这种材料在2018年刚刚被发现，研究人员之所以关注它，是因为它的潜力和神秘性。"2018年提出的许多重大问题仍有待解答，"布朗大学李的实验室里领导这项工作的研究生艾琳-莫里塞特（ErinMorissette）说。物理学家通常使用核磁共振或NMR来测量电子自旋。他们使用微波辐射激发样品材料的核磁特性，然后读取辐射引起的不同信号来测量自旋。二维材料所面临的挑战是，电子在微波激励下产生的磁信号太小，无法检测。研究小组决定随机应变。他们没有直接检测电子的磁化，而是利用布朗大学分子和纳米创新研究所制造的设备测量了电子电阻的微妙变化，这些变化是由辐射引起的磁化变化造成的。电子电流流的这些微小变化使研究人员能够利用该装置检测到电子正在吸收微波辐射的照片。研究人员能够从实验中观察到新的信息。例如，研究小组注意到，光子和电子之间的相互作用使得系统某些部分的电子表现出反铁磁系统的行为--这意味着一些原子的磁性被一组反方向排列的磁性原子抵消了。这种研究二维材料自旋的新方法和目前的发现并不适用于当今的技术，但研究小组看到了这种方法在未来可能带来的潜在应用。他们计划继续将他们的方法应用于扭曲双层石墨烯，并将其扩展到其他二维材料。莫里塞特说："这是一个非常多样化的工具集，我们可以用它来获取这些强相关系统中电子秩序的一个重要部分，并从总体上理解电子在二维材料中的行为方式。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371469.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371469.htm

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法HZDR的研究人员成功地在磁盘中产生了类似于波的激发--即所谓的磁子--来专门操纵碳化硅中原子大小的量子比特。这为量子网络中的信息传输开辟了新的可能性。图片来源：HZDR/MauricioBejarano为了满足这一需求，德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）的一个研究小组现在推出了一种传输量子信息的新方法：该小组通过利用磁子（磁性材料中的波状激起）的磁场来操纵量子比特（即所谓的量子比特），磁子发生在微观磁盘中。研究人员在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上发表了他们的研究成果。建造可编程的通用量子计算机是当代最具挑战性的工程和科学研究之一。这种计算机的实现为物流、金融和制药等不同行业领域带来了巨大潜力。然而，由于量子计算机技术在存储和处理信息时存在固有的脆弱性，因此阻碍了实用量子计算机的建造。量子信息被编码在量子比特中，而量子比特极易受到环境噪声的影响。微小的热波动（几分之一度）就可能完全破坏计算。这促使研究人员将量子计算机的功能分布在不同的独立构件中，以努力降低出错率，并利用这些构件的互补优势。"然而，这就带来了一个问题，即如何在模块之间传输量子信息，使信息不会丢失，"HZDR研究员、该刊物第一作者毛里西奥-贝哈拉诺（MauricioBejarano）说。"我们的研究正是在这个特定的利基上，在不同的量子模块之间传输通信。"目前，传输量子信息和寻址量子比特的既定方法是通过微波天线。这是Google和IBM在其超导芯片中使用的方法，也是在这场量子竞赛中处于领先地位的技术平台。"而我们则是通过磁子来寻址量子比特。磁子可被视为穿过磁性材料的磁激发波。这样做的好处是，磁子的波长在微米范围内，比传统微波技术的厘米波短得多。因此，磁子的微波足迹在芯片中花费的空间更少。HZDR小组研究了磁子与碳化硅晶体结构中硅原子空位形成的量子比特的相互作用，碳化硅是一种常用于大功率电子器件的材料。这类量子比特通常被称为自旋量子比特，因为量子信息是由空位的自旋状态编码的。但是，如何利用磁子来控制这类量子比特呢？"通常情况下，磁子是通过微波天线产生的。"贝哈拉诺解释说："这就带来了一个问题，即很难将来自天线的微波驱动与来自磁子的微波驱动分离开来。"为了将微波从磁子中分离出来，HZDR团队利用了一种在镍铁合金微观磁盘中可以观察到的奇特磁现象。"由于非线性过程，磁盘内的一些磁子具有比天线驱动频率低得多的频率。我们只用这些频率较低的磁子来操纵量子比特"。研究小组强调，他们还没有进行任何量子计算。不过，他们表明，完全用磁子处理量子比特从根本上是可行的。"迄今为止，量子工程界还没有意识到磁子可以用来控制量子比特，"Schultheiß强调说。"但我们的实验证明，这些磁波确实可以派上用场"。为了进一步发展他们的方法，研究小组已经在为未来的计划做准备：他们想尝试控制几个间距很近的单个量子比特，让磁子介导它们的纠缠过程--这是进行量子计算的先决条件。他们的设想是，从长远来看，磁子可以被直接电流激发，其精确度可以达到在量子比特阵列中专门针对单个量子比特。这样就可以将磁子用作可编程量子总线，以极其有效的方式寻址量子比特。虽然未来还有大量工作要做，但该研究小组的研究强调，将磁子系统与量子技术相结合，可以为未来开发实用量子计算机提供有益的启示。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424810.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424810.htm