天然双层石墨烯内发现新奇量子效应

天然双层石墨烯内发现新奇量子效应由德国哥廷根大学领导的一个国际研究团队在最新一期《自然》杂志上发表论文称，他们在对天然双层石墨烯开展的高精度研究中，发现了新奇的量子效应，并从理论上对其进行了解释。这一系统制备简单，为载荷子和不同相之间的相互作用提供了新见解，有助于理解所涉及的过程，促进量子计算机的发展。2004年，两位英国科学家用一种非常简单的实验方法从石墨中剥离出石墨片，并借助特殊胶带得到仅由一层碳原子构成的石墨烯。石墨烯是强度最高的材料之一，具有很好的韧性、超强导热性与导电性，应用前景十分广阔。如果将两层石墨烯彼此以特定的角度偏转，所得到的系统甚至会表现出超导性和其他激发量子效应，如磁性。但迄今为止，很难制备出这种偏转的双层石墨烯。在最新研究中，科学家们使用了天然形成的双层石墨烯。他们首先使用简单的胶带从一块石墨中分离出石墨烯样品。为观察量子力学效应，施加了垂直于样品的高电场。他们发现，所得到系统的电子结构发生了变化，且拥有类似能量的电荷载流子出现强烈的累积效应。研究进一步发现，在略高于绝对零度（-273.15℃）下，石墨烯中的电子可相互作用，出现了各种意想不到且复杂的量子相。如相互作用导致电子自旋对齐，使材料在没有施加外部影响的情况下具有磁性。通过改变电场，研究人员也能不断改变双层石墨烯中载流子相互作用的强度。此外，电子运动的自由度在特定条件下会受限，形成电子晶格，且由于相互排斥作用，不再有助于传输电荷，导致系统对电绝缘。哥廷根大学物理系托马斯·韦茨教授表示，新系统的主要优势之一在于材料制备非常简单，研究人员不需要像以前那样在高温下才能获得所需结果，可用于进一步研究各种量子态及量子计算机等。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1305337.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1305337.htm

国际首次！我国科学家实现光子的分数量子反常霍尔态

国际首次！我国科学家实现光子的分数量子反常霍尔态据新华社，日前，中国科学技术大学潘建伟院士团队，利用“自底而上”的量子模拟方法，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态，为高效开展更多、更新奇的量子物态研究提供了新路径，助力推进“第二次量子革命”。分数量子反常霍尔效应备受学术界关注，处于分数量子反常霍尔态的物质具有重要的观测研究价值。团队此次实现光子的分数量子反常霍尔态，为开展量子领域相关研究提供了优质的研究平台，无需极强外磁场等严苛的实验条件，且能实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量和可控利用。诺贝尔物理学奖获得者弗兰克・维尔切克评价，这项研究向基于任意子的量子信息处理迈出重要一步。

日前，中国科学技术大学潘建伟院士团队，利用“自底而上”的量子模拟方法，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态，为高效开展更多

日前，中国科学技术大学潘建伟院士团队，利用“自底而上”的量子模拟方法，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态，为高效开展更多、更新奇的量子物态研究提供了新路径，助力推进“第二次量子革命”。分数量子反常霍尔效应备受学术界关注，处于分数量子反常霍尔态的物质具有重要的观测研究价值。团队此次实现光子的分数量子反常霍尔态，为开展量子领域相关研究提供了优质的研究平台，无需极强外磁场等严苛的实验条件，且能实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量和可控利用。（新华社）

量子电路的革命：石墨烯的精密工程

量子电路的革命：石墨烯的精密工程圣地亚哥-德-坎波斯特拉大学生物化学和分子材料研究中心（CiQUS-USC）的DiegoPeña教授，ICN2团队的前成员、目前在坎塔布里亚大学担任研究员的CesarMoreno博士，以及多诺斯蒂亚国际物理中心（DIPC）和Ikerbasque基金会的AranGarcia-Lekue博士已经做了类似的事情，但在单原子尺度上，目的是合成具有可调整特性的新型碳基材料。正如刚刚发表在《美国化学学会杂志》（JACS）上的一篇论文所解释的那样，这项研究是原子薄型材料精确工程的一个重大突破--由于其尺寸减少而被称为"二维材料"。所提出的制造技术为材料科学开辟了令人兴奋的新的可能性，特别是在先进的电子产品和未来可持续能源的解决方案中的应用。该研究被刊登在《美国化学会杂志》（JACS）的封面上。资料来源：MariaTenorio博士和DámasoTorres-ICN2这项研究的作者通过连接被称为"纳米带"的超窄石墨烯条，通过由苯基分子（是大分子的一部分）组成的灵活"桥梁"，合成了一种新的纳米多孔石墨烯结构。通过连续修改这些桥的结构和角度，科学家们可以控制纳米带通道之间的量子连通性，并最终对石墨烯纳米结构的电子特性进行微调。这种可调性也可以由外部刺激控制，如应变或电场，为不同的应用提供机会。这些突破性的发现来自于西班牙顶级机构（CiQUS、ICN2、坎塔布里亚大学、DIPC）和丹麦技术大学（DTU）之间的合作，表明所提出的分子桥策略可以对具有定制属性的新材料的合成产生巨大影响，是实现量子电路的有力工具。这些电路执行的操作与传统电路类似，尽管与后者不同，量子电路利用了量子效应和现象。这些系统的设计和实现与量子计算机的发展极为相关。但本研究提出的方法的潜在应用超越了未来的电子设备和计算机。事实上，它还可以导致热电纳米材料的发展，这在可再生能源发电和废热回收方面可以产生重要影响，因此解决了另一个关键的社会挑战。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357837.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357837.htm

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态。霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠，对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子，这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。此外，传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。其无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量，并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。据介绍，此前，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。为解决这一重大挑战，研究团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步，团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时，这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新的手段。在该项工作中，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。《科学》杂志审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”。诺贝尔物理学奖得主FrankWilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”，这是一个令人印象深刻的实验，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。沃尔夫奖获得者PeterZoller评价，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就”“实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430083.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430083.htm

石墨烯的扭曲科学：探索奇异物质的新量子尺

石墨烯的扭曲科学：探索奇异物质的新量子尺插图描述了NIST团队在实验中使用的两层石墨烯（两个双层），用于研究摩尔纹量子材料的一些奇特性质。左侧插图是两个双层石墨烯部分的俯视图，显示了当一个双层石墨烯相对于另一个双层石墨烯扭转一个小角度时形成的摩尔纹。资料来源：B.Hayes/NIST根据扭曲角度的不同，这些被称为摩尔量子物质的材料可以突然产生自己的磁场，成为零电阻的超导体，或者相反，变成完美的绝缘体。约瑟夫-A-斯特里西奥（JosephA.Stroscio）和他在美国国家标准与技术研究院（NIST）的同事以及一个国际合作团队开发了一种"量子尺"，用于测量和探索这些扭曲材料的奇异特性。这项工作还可能带来一种新的、微型化的电阻标准，可以直接在工厂车间校准电子设备，而无需将它们送到异地的标准实验室。来自弗吉尼亚州费尔法克斯乔治梅森大学的物理学家费雷什特-加哈里（FereshteGhahari）是这项研究的合作者，他利用两层直径约为20微米的石墨烯（称为双层石墨烯），相对于另两层石墨烯进行扭曲，制造出了一个摩尔量子物质装置。加哈里利用NIST纳米科学与技术中心的纳米加工设备制造了这个装置。随后，NIST研究人员马鲁-斯洛特（MarlouSlot）和尤利娅-马克西门科（YuliaMaximenko）将这种扭曲的材料装置冷却到绝对零度以上的百分之一，从而减少了原子和电子的随机运动，提高了材料中电子相互作用的能力。达到超低温后，他们研究了改变强外部磁场强度时石墨烯层中电子的能级如何变化。测量和操纵电子的能级对于设计和制造半导体器件至关重要。这幅摩尔纹量子材料中一个点的放大图描绘了电子（右边的红点和蓝点）的阶梯状能级。阶梯的背景类似于图纸能量，表明测量到的能级可以作为一种量子尺来确定材料的电学和磁学特性。资料来源：NIST/B.海耶斯电子运动和能级为了测量能级，研究小组使用了斯特里西奥在NIST设计和制造的多功能扫描隧道显微镜。当研究人员在磁场中对石墨烯双层膜施加电压时，显微镜会记录从材料"隧穿"到显微镜探针尖端的电子所产生的微小电流。在磁场中，电子以圆形轨迹运动。通常，固体材料中电子的圆形轨道与外加磁场有着特殊的关系：由于电子的量子特性，每个圆形轨道所包围的面积乘以外加磁场，只能得到一组固定的离散值。为了保持固定的乘积，如果磁场减半，那么电子轨道所包围的面积就必须增加一倍。遵循这一规律的连续能级之间的能量差，就像尺子上的刻度线一样，可以用来测量材料的电子和磁性能。任何与这一模式的细微偏差都代表着一种新的量子标尺，可以反映出研究人员正在研究的特定量子摩尔纹材料的轨道磁特性。发现与影响事实上，当NIST的研究人员改变施加在摩尔纹石墨烯双层膜上的磁场时，他们发现了新量子标尺发挥作用的证据。电子圆形轨道所包围的面积乘以外加磁场不再等于一个固定值。相反，这两个数字的乘积发生了偏移，偏移量取决于双层石墨的磁化程度。这种偏差转化为电子能级的一组不同刻度线。这些发现有望为我们揭示局限在石墨烯扭曲薄片中的电子如何产生新的磁性带来新的启示。斯特里西奥说："利用新的量子标尺来研究圆形轨道如何随磁场变化，我们希望能揭示这些摩尔纹量子材料的微妙磁特性。"量子摩尔材料中的电子被一个形似鸡蛋盒的电势所困住；电子集中在鸡蛋盒的山谷（低能态）中。资料来源：S.Kelley/NIST在摩尔量子材料中，电子具有一系列可能的能量--高能和低能，形状就像鸡蛋盒--这是由材料的电场决定的。电子集中在纸盒的低能态或谷中。NIST理论物理学家保罗-哈尼（PaulHaney）说，双层石墨烯中的谷之间的间距很大，大于任何单层石墨烯或未扭曲的多层石墨烯中的原子间距，这也是研究小组发现的一些不寻常磁性的原因。研究人员，包括来自马里兰大学学院帕克分校和联合量子研究所（NIST与马里兰大学的合作研究机构）的同事，在《科学》杂志上介绍了他们的工作。未来前景与应用由于摩尔量子物质的特性可以通过选择特定的扭转角度和原子薄层的数量来实现，因此新的测量结果有望让人们更深入地了解科学家如何定制和优化量子材料的磁性和电子特性，以满足微电子学和相关领域的大量应用需求。例如，人们已经知道超薄超导体是非常灵敏的单光子探测器，而量子摩尔超导体则是最薄的超导体之一。NIST团队还对另一种应用感兴趣：在适当的条件下，摩尔量子物质可以提供一种新的、更易于使用的电阻标准。目前的标准是基于一种材料在二维层中的电子受到强磁场作用时产生的离散电阻值。这种现象被称为量子霍尔效应，源于上文讨论的电子在圆形轨道上的量子化能级。离散电阻值可用于校准各种电气设备中的电阻。不过，由于需要强大的磁场，校准只能在NIST等计量设施中进行。斯特里西奥说，如果研究人员能操纵量子摩尔物质，使其在没有外加磁场的情况下也能产生净磁化，那么就有可能利用它来创建一种新的便携式最精确电阻标准，即反常量子霍尔电阻标准。电子设备的校准可在制造现场进行，从而节省数百万美元。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388617.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388617.htm