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

康奈尔大学研究人员挑战量子绝缘体的长期观点

康奈尔大学研究人员挑战量子绝缘体的长期观点这一发现揭示了量子反常霍尔绝缘体中的电子动力学，并有助于解决长达数十年的关于电流如何在更一般的量子霍尔绝缘体中流动的争论。这些见解将为下一代量子设备拓扑材料的开发提供参考。研究小组的论文最近发表在《自然-材料》（NatureMaterials）杂志上。论文的第一作者是马特-弗格森（MattFerguson），22年博士，目前是德国马克斯-普朗克固体化学物理研究所的博士后研究员。量子霍尔效应该项目由文理学院物理学助理教授、论文的资深作者KatjaNowack领导，起源于所谓的量子霍尔效应。量子霍尔效应于1980年首次被发现，当磁场作用于特定材料时，会引发一种不寻常的现象：大块样品的内部变成绝缘体，而电流沿外缘单向移动。电阻被量子化或限制为基本通用常数所定义的值，并下降为零。2013年首次发现的量子反常霍尔绝缘体通过使用磁化的材料实现了相同的效果。量子化仍然发生，纵向电阻消失，电子沿着边缘加速而不耗散能量，有点像超导体。破除流行观念"电流沿边缘流动的图像可以很好地解释量子化是如何产生的。但事实证明，这并不是唯一能解释量子化的图景，"诺瓦克说。"自从拓扑绝缘体在本世纪初蔚为壮观地崛起以来，这种边缘图景就一直占据着主导地位。局部电压和局部电流的复杂性在很大程度上被遗忘了。实际上，这些情况可能比边缘图景所显示的要复杂得多"。目前已知只有少数材料是量子反常霍尔绝缘体。在他们的新工作中，诺瓦克研究小组重点研究了铬掺杂的碲铋锑--十年前首次观测到量子反常霍尔效应的也是这种化合物。该样品由宾夕法尼亚州立大学物理学教授尼廷-萨马尔特领导的合作者培育而成。为了扫描这种材料，诺瓦克和弗格森使用了他们实验室的超导量子干涉装置（SQUID），这是一种极其灵敏的磁场传感器，可以在低温下工作，探测到令人生畏的微小磁场。SQUID能有效地对电流流（产生磁场的原因）进行成像，然后将这些图像组合起来，重建电流密度。诺瓦克说："我们研究的电流非常非常小，因此测量难度很大。我们需要在低于一开尔文的温度下对样品进行良好的量化。我很自豪我们做到了这一点。"发现与未来影响当研究人员注意到电子在材料的主体中流动，而不是在边界边缘流动时，他们开始翻阅以前的研究结论。他们发现，在1980年量子霍尔效应被首次发现后的几年里，关于电子流发生的位置有很多争论，而大多数年轻的材料科学家都不知道这种争论。"我希望从事拓扑材料研究的新一代注意到这项工作，并重新展开辩论。很明显，我们甚至不了解拓扑材料中发生的一些非常基本的方面，"她说。"如果我们不了解电流是如何流动的，那么我们对这些材料究竟了解多少呢？回答这些问题可能也与制造更复杂的设备有关，例如将超导体与量子反常霍尔绝缘体耦合以产生更奇特物质状态的混合技术。"我很想知道我们观察到的现象是否适用于不同的材料系统。也许在某些材料中，电流的流动方式会有所不同，"诺瓦克说。"对我来说，这凸显了拓扑材料的魅力--它们在电学测量中的行为是由非常普遍的原理决定的，与微观细节无关。然而，了解微观尺度上发生了什么至关重要，这对我们的基本理解和应用都是如此。这种一般原理与细微差别的相互作用，使得拓扑材料的研究如此迷人和引人入胜"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392237.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392237.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

科学家推翻现有假设 拓扑学可能比以前认为的起着更次要的作用

科学家推翻现有假设拓扑学可能比以前认为的起着更次要的作用强激光照射拓扑材料，但光-物质响应特征是否包含有关材料拓扑的任何可提取信息仍不清楚。图片来源：JörgHarms,MPSD在过去的几十年里，拓扑学思想彻底改变了人们对电子结构和材料整体特性的认识。此外，拓扑学还促进了拓扑材料与电子应用的结合，为技术进步打开了大门。与此同时，拓扑结构的测量相当棘手，通常需要结合多种实验技术，如光电发射和传输测量。最近，一种被称为高次谐波光谱学的方法成为观察材料拓扑结构的关键技术。在这种方法中，材料受到强烈激光的照射。材料中的电子与激光之间的相互作用会产生宽带光学光谱，其中包含有关固体拓扑相的线索。在理论计算的帮助下可以提取这些线索，从而测量材料的拓扑结构。然而，德国汉堡马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所的理论家们现在在《物理评论X》上报告说，他们在对拓扑绝缘体的高次谐波生成进行了首次自证研究后，没有发现任何普遍拓扑特征的证据。研究人员重点研究了铋原子单层中的量子自旋霍尔绝缘体和Na3Bi单层中的量子反常霍尔绝缘体，对拓扑高次谐波光谱学的基本假设提出了质疑：拓扑信息烙印在发射光谱上，随后可以被提取出来。领衔作者OferNeufeld解释说："我们特意避免了常见的近似和简化模型。在这项庞大而彻底的分析中，我们无法发现任何普遍的拓扑特征，这表明这种特征不太可能存在。即使某些特征乍一看似乎与拓扑特性密切相关，但每当我们深入研究它们的起源时，却发现它们从来不是拓扑特性。"相反，系统的非拓扑方面主导了它的反应，这表明拓扑学可能比以前认为的起着更次要的作用。论文的第二作者尼古拉斯-坦科涅-德让解释说："例如，固体对左或右椭圆偏振的激光会有不同的反应，最初看来，这种典型反应可能源于拓扑结构。然而，仔细观察后发现，这种效应源于晶体结构，而非拓扑结构。"研究小组的发现提出了拓扑结构在高度非线性光学应用中的潜在用途这一重要问题。从更积极的角度来看，MPSD理论家们强调，他们并没有完全排除高次谐波发生中存在拓扑特征的可能性。不过，他们认为，材料的其他非拓扑方面通常会主导所产生的光谱，例如带状结构、晶格对称性和参与轨道的化学性质。Neufeld总结说："我们希望，我们的研究不仅能提供一个'警示故事'，提醒其他人注意可能会误导的拓扑指纹，更重要的是，它将激励业界为如何通过非线性光学测量拓扑提出更复杂、更强大的想法。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375177.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375177.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

MIT研究人员开发出微型光子芯片 实现超快激光技术微型化

MIT研究人员开发出微型光子芯片实现超快激光技术微型化激光在日常生活中已相对普遍，但除了在狂欢派对上提供灯光表演和扫描杂货上的条形码外，激光还有很多用途。激光在电信、计算以及生物、化学和物理研究领域也具有重要意义。在后一种应用中，能够发射超短脉冲的激光器尤其有用，这种激光器的脉冲为万亿分之一秒（1皮秒）或更短。利用在如此小的时间尺度上工作的激光，研究人员可以研究极快发生的物理和化学现象--例如，化学反应中分子键的生成或断裂，或者材料内部电子的运动。这些超短脉冲还广泛用于成像应用，因为它们的峰值强度极大，但平均功率较低，因此可以避免加热甚至烧毁生物组织等样本。在《科学》杂志上发表的一篇论文中，加州理工学院电子工程与应用物理学助理教授阿里雷扎-马兰迪（AlirezaMarandi）介绍了他的实验室开发的一种在光子芯片上制造这种激光器（称为锁模激光器）的新方法。这种激光器使用纳米级元件（纳米是十亿分之一米）制造，可以集成到光基电路中，类似于现代电子产品中的电基集成电路。铌酸锂制成的纳米光子锁模激光器发出一束绿色激光。资料来源：加州理工学院马兰迪说："我们感兴趣的不仅仅是让锁模激光器更加紧凑。我们很高兴能在纳米光子芯片上制造出性能良好的锁模激光器，并将其与其他元件结合在一起。到那时，我们就能在集成电路中构建一个完整的超快光子系统。这将把目前属于米级实验的超快科学和技术财富带到毫米级芯片上"。超快激光与诺贝尔奖的认可这类超快激光器对研究工作非常重要，今年的诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，以表彰他们开发出能产生阿秒脉冲的激光器（一阿秒等于一秒的五十亿分之一）。然而，这种激光器目前极其昂贵和笨重，马兰迪指出，他的研究正在探索在芯片上实现这种时间尺度的方法，这种芯片可以便宜很多，体积也更小，目的是开发出价格合理、可部署的超快光子技术。他说："这些阿秒级实验几乎都是用超快锁模激光器完成的。其中一些实验的成本可能高达1000万美元，而其中很大一部分就是锁模激光器的成本。我们很高兴能考虑如何在纳米光子学中复制这些实验和功能。"马兰迪实验室开发的纳米光子锁模激光器的核心是铌酸锂，这是一种具有独特光学和电学特性的合成盐，在这种情况下，可以通过应用外部射频电信号来控制和塑造激光脉冲。这种方法被称为腔内相位调制主动锁模。"大约50年前，研究人员在桌面实验中使用腔内相位调制来制造锁模激光器，并认为与其他技术相比，这种方法并不十分合适，"论文第一作者、前马兰迪实验室博士后郭秋实（音译）说。"但我们发现它非常适合我们的集成平台"。"除了体积小巧之外，我们的激光器还表现出一系列引人入胜的特性。例如，我们可以在很宽的范围内精确调节输出脉冲的重复频率。我们可以利用这一点来开发芯片级稳定频率梳状源，这对于频率计量和精密传感来说至关重要，"现任纽约城市大学高级科学研究中心助理教授的郭补充道。未来目标和研究影响马兰迪说，他的目标是继续改进这项技术，使其能够在更短的时间尺度和更高的峰值功率下运行，目标是达到50飞秒（飞秒是十万亿分之一秒），这将是他目前设备的100倍改进，目前设备产生的脉冲长度为4.8皮秒。介绍这项研究的论文题为"纳米光子铌酸锂中的超快锁模激光器"，发表在11月9日的《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398911.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398911.htm