论文部分内容阅读
物质的经典形态，如固体、液体和气体，都是来自于原子或分子的相互作用。量子态中，电子之间产生的相互作用则更为复杂。最近，美国普林斯顿大学Zahid Hasan团队与中国科学院物理研究所联合发现了一种新型量子态，被称为是可以“任意调节”——超过现有量子理论10倍的可调节度，这样的可操作性为新一代的纳米技术和量子计算创造了巨大的可能性。
论文第一作者Hasan教授认为：“我们找到了打开量子拓扑世界的一个新按钮，希望这只是冰山的一角，未来将由此衍生出更多新的分支材料科学或物理学，纳米工程将受益深远。”
Hasan教授和他的同事们称这项发现为“小说般的量子态”，因为以现存的材料性质理论是无法解释这一现象的。为研究量子“文化”，研究人员以多种不同模型排列的晶体表面的原子，进行观察。他们使用了由中国和普林斯顿研究团队提供的多种材料。
其中有一种特殊的被称为“竹笼形晶格”（Kagome）的六折式蜂窝形，晶格类似于日本筐篮编织的模型，由交错排列的三角形组成，而每个顶点连接了两个相邻六角形。晶格只有在具有强大磁场的光学显微镜下才能够发现它，观察用的显微镜是由Hasan实验室专门为拓扑量子态和光谱学研究设计的。Hasan与论文共同作者在自然杂志中称这一物质为“新型量子态”。
这项研究的关键不是观察单个的粒子，而是在磁场中粒子间相互作用的方式。就如同人类，是独立且各异地生活着，而不是以集体的方式出现。Hasan认为：“你可以研究粒子基本原理中的所有细节，但却无法了解其背后的文化、艺术或社会现象，当它们融合在一起，彼此间发生强烈的影响时，才能够观察其中独特的现象。”
所有已知的物理学理论预测的电子，都是附着于“六折模式”的排列中，而此次的新材料中，电子悬浮于原子上方，以“直线两折对称”的形式排列。Hasan教授解释到：“电子重新调整自身，忽略了晶格对称，以直线排列进行跳跃比侧边排列更加简单，进而形成了它们自己的‘社会’，使得这项研究成为了物理学中真正的前沿。”
原本，在电子和原子排列间出现的解耦（Decoupling）已经足以令人震惊，但随后研究人员运用磁场后发现，它们可以改变任一方向的电子线条。在不移动晶格的情况下，通过控制电子周围的磁场就可以旋转电子直线。Hasan表示：“通过运用磁场，我们可以再次改变电子的‘文化’”。目前，研究者们还无法解释这种现象的成因。
在此之前，Hasan团队一直致力于拓扑材料领域的研究，在几年前曾发现了量子拓扑磁体（Topological quantum magnets）。而此次，研究团队也猜测这种新型量子态，与材料电子结构中的拓扑特性有所关联。相比这种名为非均向性（Anisotropy）的解耦现象，更令人惊讶的是效应所产生的规模，其规模较理论预期高出100多倍。物理学家使用没有单位的“g因素”来形容量子级的磁力。
真空中一个电子的g因素被精确计算，略多于2，但在新型材料中，研究人员发现了一个有效g因素有效值为210，其中的电子相互强烈作用。这对于纳米技术的研究将产生积极的影响，特别是在传感器的研究中。在规模化的量子科技中，有些材料中低效的g因素会极大阻碍拓扑量子、磁力和超导力三者的有效结合，而一种具有高效 g 因素的材料意味着，只要结合一定的磁场，就能在系统中发挥显著的作用，为未来的量子和纳米技术发展提供了更多的可能性。
这一发现由一个两层式多部件的仪器完成，称为“扫描隧道光谱显微镜”，在外置旋转矢量磁场中运行。光谱显微镜的分辨率小于一半的原子大小，这使它能够扫描单个原子并检测原子中的细节，同时测量电子的能量和自旋分布。仪器的温度被冷却至接近绝对零度，在地板和天花板之间解耦分离，以防止任何即使是原子大小的震动。
Hasan表示：“仪器冷却至0.4开尔文，比星际空间2.7开尔文还要更冷。研究人员为实验管道创造了真空环境，比地球高空大气还要薄约1万亿倍。我们花费5年时间打造这个完备的管道，用以操作实验所需的多组件仪器。
Hasan 实验室的一名研究生，Songtian Sonia Zhang表示：“研究人员们都震惊于发现了这种‘双折排列’，我们原本是期望找到一种六折的排列形式，就像其他拓扑材料中存在的排列形式那样。没想到的是，我们竟然发现了一些完全出乎意料的新东西，这是那些理论学家们完全没有预料到的，这真是太神奇了。”哈佛大学物理学教授Subir Sachdev认为：“磁场对一种材料的电子特性产生如此强烈的影响，是极为罕见的，能有这样效果的材料不超过一巴掌。这是一种在量子层面可控的、量子拓扑磁体上的一种奇特量子效应。”
不同磁场角度对应不同电子态构型，量子信息能够被电测量采集识别。Hasan表示：“纳米或量子计算机技术需要磁电之间的转换，我们的这个发现意味着这实现了高效磁电转换新的突破方向。这些量子信息可以被电测量采集识别，比起常规的磁电转换器件，一方面有大幅度提升（可能会提高容错率），另一方面增加了新的调控维度即多重空间角度。所以进一步开发这项技术，有可能實现磁电量子信息的高效读取与编译。
实验室研究生Songtian Sonia Zhang表示：“当我们研究物理学时，所有人都在寻找物质究竟是如何工作的，而此次的发现着实丰富了我们的科学研究视角，希望未来能够发现更大的电磁响应或其他衍生现象。”
编译自普林斯顿大学官网
（责任编辑 姜懿翀）
论文第一作者Hasan教授认为：“我们找到了打开量子拓扑世界的一个新按钮，希望这只是冰山的一角，未来将由此衍生出更多新的分支材料科学或物理学，纳米工程将受益深远。”
Hasan教授和他的同事们称这项发现为“小说般的量子态”，因为以现存的材料性质理论是无法解释这一现象的。为研究量子“文化”，研究人员以多种不同模型排列的晶体表面的原子，进行观察。他们使用了由中国和普林斯顿研究团队提供的多种材料。
其中有一种特殊的被称为“竹笼形晶格”（Kagome）的六折式蜂窝形，晶格类似于日本筐篮编织的模型，由交错排列的三角形组成，而每个顶点连接了两个相邻六角形。晶格只有在具有强大磁场的光学显微镜下才能够发现它，观察用的显微镜是由Hasan实验室专门为拓扑量子态和光谱学研究设计的。Hasan与论文共同作者在自然杂志中称这一物质为“新型量子态”。
这项研究的关键不是观察单个的粒子，而是在磁场中粒子间相互作用的方式。就如同人类，是独立且各异地生活着，而不是以集体的方式出现。Hasan认为：“你可以研究粒子基本原理中的所有细节，但却无法了解其背后的文化、艺术或社会现象，当它们融合在一起，彼此间发生强烈的影响时，才能够观察其中独特的现象。”
所有已知的物理学理论预测的电子，都是附着于“六折模式”的排列中，而此次的新材料中，电子悬浮于原子上方，以“直线两折对称”的形式排列。Hasan教授解释到：“电子重新调整自身，忽略了晶格对称，以直线排列进行跳跃比侧边排列更加简单，进而形成了它们自己的‘社会’，使得这项研究成为了物理学中真正的前沿。”
原本，在电子和原子排列间出现的解耦（Decoupling）已经足以令人震惊，但随后研究人员运用磁场后发现，它们可以改变任一方向的电子线条。在不移动晶格的情况下，通过控制电子周围的磁场就可以旋转电子直线。Hasan表示：“通过运用磁场，我们可以再次改变电子的‘文化’”。目前，研究者们还无法解释这种现象的成因。
在此之前，Hasan团队一直致力于拓扑材料领域的研究，在几年前曾发现了量子拓扑磁体（Topological quantum magnets）。而此次，研究团队也猜测这种新型量子态，与材料电子结构中的拓扑特性有所关联。相比这种名为非均向性（Anisotropy）的解耦现象，更令人惊讶的是效应所产生的规模，其规模较理论预期高出100多倍。物理学家使用没有单位的“g因素”来形容量子级的磁力。
真空中一个电子的g因素被精确计算，略多于2，但在新型材料中，研究人员发现了一个有效g因素有效值为210，其中的电子相互强烈作用。这对于纳米技术的研究将产生积极的影响，特别是在传感器的研究中。在规模化的量子科技中，有些材料中低效的g因素会极大阻碍拓扑量子、磁力和超导力三者的有效结合，而一种具有高效 g 因素的材料意味着，只要结合一定的磁场，就能在系统中发挥显著的作用，为未来的量子和纳米技术发展提供了更多的可能性。
这一发现由一个两层式多部件的仪器完成，称为“扫描隧道光谱显微镜”，在外置旋转矢量磁场中运行。光谱显微镜的分辨率小于一半的原子大小，这使它能够扫描单个原子并检测原子中的细节，同时测量电子的能量和自旋分布。仪器的温度被冷却至接近绝对零度，在地板和天花板之间解耦分离，以防止任何即使是原子大小的震动。
Hasan表示：“仪器冷却至0.4开尔文，比星际空间2.7开尔文还要更冷。研究人员为实验管道创造了真空环境，比地球高空大气还要薄约1万亿倍。我们花费5年时间打造这个完备的管道，用以操作实验所需的多组件仪器。
Hasan 实验室的一名研究生，Songtian Sonia Zhang表示：“研究人员们都震惊于发现了这种‘双折排列’，我们原本是期望找到一种六折的排列形式，就像其他拓扑材料中存在的排列形式那样。没想到的是，我们竟然发现了一些完全出乎意料的新东西，这是那些理论学家们完全没有预料到的，这真是太神奇了。”哈佛大学物理学教授Subir Sachdev认为：“磁场对一种材料的电子特性产生如此强烈的影响，是极为罕见的，能有这样效果的材料不超过一巴掌。这是一种在量子层面可控的、量子拓扑磁体上的一种奇特量子效应。”
不同磁场角度对应不同电子态构型，量子信息能够被电测量采集识别。Hasan表示：“纳米或量子计算机技术需要磁电之间的转换，我们的这个发现意味着这实现了高效磁电转换新的突破方向。这些量子信息可以被电测量采集识别，比起常规的磁电转换器件，一方面有大幅度提升（可能会提高容错率），另一方面增加了新的调控维度即多重空间角度。所以进一步开发这项技术，有可能實现磁电量子信息的高效读取与编译。
实验室研究生Songtian Sonia Zhang表示：“当我们研究物理学时，所有人都在寻找物质究竟是如何工作的，而此次的发现着实丰富了我们的科学研究视角，希望未来能够发现更大的电磁响应或其他衍生现象。”
编译自普林斯顿大学官网
（责任编辑 姜懿翀）