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新的量子材料能够以接近光速来导电

2017年5月5日18:40 环球解密

比石墨烯还强。

物理学家一直在测试新的二维量子材料的性质,可以来篡夺石墨烯(graphene),成为未来的“神奇材料”。

这些能够以几乎是光速来导电的材料,可能在下一代的超高速电脑中取代硅,甚至可以形成一种新的“奇特超导体”(exotic superconductor)的基础,可能会真的打破时间逆转对称性(time-reversal symmetry),或是逆转时间流。

来自加州大学尔湾分校(University of California, Irvine)的研究人员之一Jing Xia说:“最终,我们可以采用物理学奇特的尖端理论,做出一些有用的事物。”

“我们正在为未来的100年,探索制造拓扑量子电脑的可能性(目前是理论上的)。”

Xie和他的团队,以及来自美国和中国的几所大学的研究人员,一直在研究少数的量子材料的潜力,这些量子材料可能在未来几十年彻底改革运算。

在自然期刊(Nature)、科学进展期刊(Science Advances)和自然材料期刊(Nature Materials)同时发表的三篇论文,描述了这些研究成果。

特别有趣的是,这些材料展现出电子和磁性的特性,而电脑的记忆体和存储系统需要这些特性。

二维碳原子薄片的石墨烯(graphene)是超柔韧、比钻石更硬、而且比钢还坚固。在导电方面,显示出惊人的潜力。但在运算方面,有一个主要缺点,它不是磁性的。

这就是另外一个二维的类似材料,锗铬碲化物(chromium germanium telluride,CGT)的出现。

使用Xia所称的世界上最灵敏的磁力显微镜,光纤萨格纳克干涉仪(Sagnac interferometer),这个团队观察到微小的锗铬碲化物薄片,大小只有两个原子厚,几微米长,和几微米宽。

说清楚一点,人的头发的宽度大约是17微米至180微米。

在摄氏负233度(华氏负387度)的温度下,这个团队能够证实并测量锗铬碲化物的磁特性。

这最终回答了存在于量子物理学中有几十年的问题,磁性是否可以存在于缩小到二维的材料中。

来自加州大学柏克莱分校(University of California, Berkeley)、也在研究这种材料的研究员Xiang Zhang说:“这是一项令人兴奋的发现。”

“这个实验为一个原子等级的薄且平坦的磁铁,呈现确凿的证据,这让许多人感到惊讶。”

以狄拉克费米子(Dirac fermion)和马约拉纳费米子(Majorana fermion)的形式,结合它的导电能力,无质量的粒子以几乎是光速移动,而不像是现今电脑中的电子。现在这种材料自我证明很值得科学的兴趣。

显微镜下的另一种新的量子材料是铋(bismuth)和镍(nickel)的混合物。当研究人员在非常低的温度下,让这两个化学元素接触(摄氏负269度或华氏负452度),他们发现“一种奇特的超导体打破了时间逆转对称性。”

也称为T-对称性(T-symmetry),时间逆转对称性与有效逆转时间流的能力有关。

Xia说:“想像你把时钟倒转,然后一杯红色的茶变成绿色,这不会让这杯茶非常怪异吗?对超导体来说,这确实是很怪异。”

“而这是第一次在2D材料中观察到。”

现在,我们窥见到这些新的量子材料的潜力。下一步将是让它们更为实际地用于未来完全创新的(但还未制造出来)量子电脑(quantum computer)。

而这意味着在更温和的温度下复制这些特性,藉由做出一项装置,能够在相当温和的摄氏负33度(华氏负27度)下稳定2D材料,是Xia的团队正顺遂地在完成的事。

Xia开玩笑地说:“信不信由你,这比加拿大的一些地方还热。这项研究工作是朝向在几乎是室温下,发展未来的量子电脑的一大进步。”

这三篇论文发表在自然期刊(Nature)、科学进展期刊(Science Advances)、和自然材料期刊(Nature Materials)。

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