物理科技生物学-PHYICA

量子技术的新材料

物理学 2022-12-08 23:59:04

慕尼黑工业大学出品 锰硅电子能带结构的变化导致样品(亮立方体)磁性的变化

这些可以使用高灵敏度的悬臂扭矩传感器(棕色)来测量

信贷:马提亚斯·多登霍夫/ TUM 虽然传统的电子技术依赖于电子的传输,但是仅传输自旋信息的组件的能量效率可能要高很多倍

慕尼黑技术大学(TUM)和斯图加特马克斯·普朗克固态研究所的物理学家们在开发这类元件的新材料方面取得了重要进展

这些材料也可能是量子计算机不易受干扰的关键

大约15年前,当一种新材料——拓扑绝缘体——的第一批代表被发现时,人们寄予厚望

研究人员预测,这些材料独特的电子结构将在其表面产生特殊的性质,例如高能效的信息传输,这将有助于开发具有广泛应用的新型电子元件

但是到目前为止,这些可能性在应用中还不容易修改和控制

尽管付出了最大的努力,技术开发已经持续了很长时间

由于慕尼黑技术大学相关系统拓扑学教授克里斯蒂安·普弗莱德勒领导的团队的发现,这种情况可能会改变

寻找交叉路口 在原子中,电子占据各种原子轨道,直到最大能量

每个轨道对应一个固定的能级

在固体中,原子轨道重叠,能级取决于运动方向和电子的波长

不同运动方向和波长的能级在称为能带的特征范围内变化

虽然原子中轨道的能级以特定的顺序增加,但是在固体中,源于不同原子轨道的能级的顺序也可以根据运动的方向和电子的波长而颠倒

因此,对于某些运动方向和波长,最初与不同轨道相关的能级的方向可能相交

换句话说,不同轨道的能量在相交的地方是相同的

特别令人感兴趣的是这些交叉出现在负责导电性的电子层面的材料

物理学家称这个能级为费米能级

拓扑材料的发现 自20世纪30年代以来,人们就知道真实材料能带之间的交叉

然而,除了极少数情况,它们通过电子的相互排斥而抵消

这种效应会在预期的交叉点上精确地产生能带间隙

因为所有已知的能带结构交叉的例子都发生在远离费米能的地方,所以它们仅仅被认为是微不足道的好奇

所有这一切都随着拓扑绝缘体的发现而改变,在拓扑绝缘体中,材料表面的电子结构恰好在费米能级产生交叉

进一步的观察表明,这些交叉是特别稳定的,因为电子的量子机械波函数具有独特的特性,可以通过电子排斥来防止抵消

在不损失能量的情况下传输信息 拓扑绝缘体表面的交叉总是处于费米能级的事实导致了电导率的特殊性质,这允许电荷和自旋信息在没有任何能量损失的情况下传输

然而,很快就变得明显的是,拓扑绝缘体对材料杂质非常敏感,这有效地短路了表面特性,并阻止了有用的技术实现

然而,拓扑绝缘体的发现引发了一场深入而系统的探索,最终发现了许多在材料内部能带之间存在拓扑连接的块状材料

例子包括威尔金属、狄拉克金属和陈氏绝缘体等

科学家们预计,这些材料内部的交叉将导致表面上的特殊性质,这些性质易于技术开发

不幸的是,研究人员无法预测任何已知材料中的拓扑交叉是否精确到费米能级

这是因为目前已知的交叉只发生在离散的点或特定的线上,这意味着它们只是偶然地与费米能级重合

但最后一点对于技术开发至关重要

此外,能够在应用程序中通过简单的方法打开和关闭交叉点似乎完全遥不可及

可通过磁场切换 以博士为首的科学家

马克·王尔德在《教授

Pfleiderer的团队现在已经证明,有带平面的材料,带总是成对通过

这些被称为节点平面,使得在费米能级定位交叉变得容易

它们总是正好在导带边缘穿过这样一个平面的地方

第一个例子是锰硅单晶

和博士一起

斯图加特马克斯·普朗克固体研究所的安德烈亚斯·施奈德说,研究小组成功地阐明了这一行为的理论基础

“一个必要的先决条件是存在所谓的‘非对称’对称

安德烈亚斯·施奈德说:“在锰硅中,这是原子排列的扭曲。”

“但这还不是全部,”马克·王尔德说,“我们还能够证明,这类材料的磁化可以抵消关键的对称性,因此,节点平面

磁化方向实际上就像一把剪刀,我们可以用来剪开莫比乌斯带

" 基于这一认识,安德烈亚斯·施奈德和他在斯图加特的同事对所有已知的晶体结构进行了全面分析,以确定那些具有相同性质的晶体结构

这是未来有针对性地搜索可比材料的基础

不寻常的属性,显著的优势 Christian Pfleiderer说:“以锰硅合金为例,结合最近发展起来的理论原理,我们现在可能会齐心协力地选择和优化材料。”

“这些新材料不仅可以实现更节能的电子器件,还可以实现绝对新颖的应用,在这些应用中,我们使用外部磁场来控制节点平面上的磁化效果

" “通过这种方式,”Pfleiderer希望,“这些材料甚至可能在未来促进拓扑量子计算。”

由于交叉点的特性,相应的量子比特对干扰不太敏感

“建立在此基础上的量子计算机甚至可能摆脱在接近绝对零度的温度下工作的要求

这项研究发表在《自然》杂志上

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