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弱磁場(chǎng)下扭曲雙層石墨烯奇異分?jǐn)?shù)態(tài)首現(xiàn)

發(fā)布時(shí)間:2021-12-20來源:青島市科技局點(diǎn)擊:返回列表

   科技日?qǐng)?bào)北京12月19日電 (實(shí)習(xí)記者張佳欣)美國(guó)哈佛大學(xué)與麻省理工學(xué)院的研究人員合作,首次在弱磁場(chǎng)下觀察到扭曲的雙層石墨烯的奇異分?jǐn)?shù)態(tài)。這項(xiàng)研究發(fā)表在15日的《自然》雜志上,為未來的量子設(shè)備和應(yīng)用鋪平了道路。

 
  奇異的量子粒子和現(xiàn)象只有最極端的條件才會(huì)出現(xiàn)。換句話說,必須具備極低的溫度或極高的磁場(chǎng)。人們已經(jīng)對(duì)室溫超導(dǎo)做了很多研究,但在弱磁場(chǎng)至零磁場(chǎng)下產(chǎn)生奇異的分?jǐn)?shù)電荷粒子,對(duì)未來量子材料和應(yīng)用同樣重要,包括新型量子計(jì)算。
 
  這項(xiàng)研究的資深作者、哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授阿米爾·亞科比說:“凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的目標(biāo)之一是獲得磁場(chǎng)低到零的奇異粒子。有理論預(yù)測(cè)說,我們應(yīng)該能看到這些弱至零磁場(chǎng)的奇異粒子,但此前還沒有人能觀察到它。”
 
  研究人員從一種被稱為“分?jǐn)?shù)陳絕緣體”的特殊量子狀態(tài)著手。陳絕緣體是拓?fù)浣^緣體,這意味著它們?cè)诒砻婊蜻吘墝?dǎo)電,但在中間不導(dǎo)電。在分?jǐn)?shù)陳絕緣體中,電子相互作用形成所謂的準(zhǔn)粒子,這是一種從大量其他粒子之間復(fù)雜的相互作用中產(chǎn)生的粒子。和基本粒子一樣,準(zhǔn)粒子也有明確的性質(zhì),比如質(zhì)量和電荷。
 
  在分?jǐn)?shù)陳絕緣體中,材料內(nèi)部的電子相互作用非常強(qiáng),準(zhǔn)粒子被迫攜帶正常電子電荷的一小部分。這些分?jǐn)?shù)粒子具有奇特的量子特性,可用于創(chuàng)建強(qiáng)大的量子比特,對(duì)外界干擾具有極強(qiáng)的彈性。
 
  為了建造絕緣體,研究人員使用了兩片石墨烯,它們以所謂的“魔角”扭曲在一起。扭曲揭示了石墨烯新的、不同的性質(zhì),包括超導(dǎo)性,以及被稱為“陳能帶”的狀態(tài),這些狀態(tài)具有產(chǎn)生分?jǐn)?shù)量子態(tài)的巨大潛力。
 
  研究人員稱,這些陳能帶就像裝滿電子的水桶。為了產(chǎn)生分?jǐn)?shù)態(tài),研究人員需要在“水桶”中的一小部分裝滿電子。但只有當(dāng)“桶”中的所有電子必須具有幾乎相同的性質(zhì)時(shí),電子的貝里曲率變得均勻,才能出現(xiàn)分?jǐn)?shù)的陳絕緣態(tài)。為此,研究人員添加了一個(gè)非常小的磁場(chǎng),使電子之間均勻分布貝里曲率,從而能在扭曲的雙層石墨烯中觀察到分?jǐn)?shù)的陳絕緣體。
 
  研究人員表示,在魔角扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了低磁場(chǎng)分?jǐn)?shù)的陳絕緣體,開啟了拓?fù)淞孔游镔|(zhì)領(lǐng)域的新篇章。它提供了將這些奇異狀態(tài)與超導(dǎo)電性耦合起來的現(xiàn)實(shí)前景,可能會(huì)創(chuàng)造和控制更奇異的拓?fù)錅?zhǔn)粒子,也就是所謂的“任意子”。
 
  總編輯圈點(diǎn)
 
  諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主安德烈·海姆曾提出,幾千年的人類歷史,從瓷器時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代到如今硅與塑料的時(shí)代,每個(gè)時(shí)代都有其代表性材料,而下一種代表性材料是二維材料。確實(shí),二維材料正在悄悄登上時(shí)代舞臺(tái)并大放異彩,其中的“頂流”就包括石墨烯。我們難以預(yù)測(cè)未來二維材料還會(huì)帶來哪些像“魔角扭曲的雙層石墨烯”產(chǎn)生的物理奇觀,但可以想到的是,在科技革命的浪潮中注定會(huì)有它們的身影。

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