為量子計算鋪平道路!拓撲絕緣體材料突破登上《自然》
2020-11-25 前瞻網為量子計算鋪平道路！拓撲絕緣體材料突破登上《自然》
都在用的報告小程序
寫文章、做研究、查資料【必備】
近日，哈佛大學研究人員在材料學方面取得重大突破。他們發明了一種全新材料，既具有強相關性電子相互作用，同時還具有拓撲特性的材料。這意味著，科學家們探索物理世界有了新平臺，更重要的是，他們為更穩定的量子計算鋪平了道路。
這項研究和拓撲絕緣體有關，發表在了《自然》的子刊《自然-物理學》上。
簡單科普一下拓撲絕緣體的概念。首先，拓撲本身是個數學概念，它研究的是「不連續」的特徵。華裔物理學家張首晟在研究這些具備「不連續」特徵物質的時候，成功創造出了 「拓撲絕緣體」。
給一塊有很多電子的大塊低溫薄膜加上強磁場，它就會表現出一個奇妙的特點：只在薄膜的邊緣導電，但薄膜的中央不會導電。無論你怎麼切割這塊薄膜，產生的新邊緣也會導電，中央依然絕緣;就算你往邊緣裡添加了本來足以阻斷電流的雜質，結果依然是邊緣繼續導電。
對於這個現象，科學家稱其邊緣是被「拓撲保護」起來了，無論怎麼變化，薄膜邊緣的電學特徵也不會隨便改變。
張首晟預言，用電子自己的自旋軌道耦合效應，無需對材料施加大磁場，即可製造出拓撲絕緣體材料。隨後，他果真製作出了需外界作用自己就可實現拓撲保護效果的材料。這一成果被《科學》雜誌評為2007年的「全球十大重要科學突破」之一，張首晟也憑這一成果，拿下物理學界幾乎所有頂尖獎項。
隨後，他又因為發現「天使粒子」，被楊振寧稱作「獲得諾貝爾獎只是時間問題」。
遺憾的是，2018年12月1日，張首晟意外離世，其家人稱是抑鬱症所致。
自從拓撲絕緣體被提出以及發現以來，凝聚態物理學界的一大熱點就是尋找具有這種特性的新材料，六硼化釤(samarium hexaboride)是其中的焦點。核心問題是：它到底是不是是拓撲絕緣體?。
本論文第一作者、哈佛大學物理系研究生哈裡斯•皮裡(Harris Pirie)表示，問題的關鍵在於，大多數拓撲材料沒有強相互作用的電子，這意味著電子移動得太快，無法相互感應，但六硼化釤內部的電子速度卻慢到足以產生強烈的相互作用。那麼，是否有材料可以在具有強相互作用特性的同時，也具有拓撲性質呢?
為了搞清楚這一問題，研究人員找到了一個有序的六硼化釤表面來進行實驗。由於大部分材料的表面崎嶇不平、雜亂無章，他們專門動用了論文高級作者珍妮·霍夫曼(Jenny Hoffman)實驗室開發的超高精度測量工具，找到了一個合適的六硼化釤原子尺度的貼片。
研究小組發射電子波穿過材料，通過反饋回來的數據，研究人員得出結論，電子的動量與它們的能量成正比。皮裡表示：「這是拓撲絕緣體的確鑿證據。」
「我們發現電子的動量與它們的能量成正比，這是拓撲絕緣體的確鑿證據，」Pirie說。「能夠最終進入交互物理和拓撲物理的交叉領域，真的很令人興奮。我們不知道會在這裡找到什麼。」他還表示，這一研究使他們進入了「交互物理和拓撲物理的交叉領域」。
這一研究成果的最大現實意義和量子計算有關，具備強相互作用特性的拓撲材料，可能可以幫助量子位元記住它們的量子態。
霍夫曼表示:「如果我們能把量子信息編碼成一種拓撲保護狀態，就不太容易受到外部噪聲的影響，因為外部噪聲會意外地改變量子比特。微軟已經有一個大型團隊致力於複合材料和納米結構的拓撲量子計算。我們的工作首次證明了利用強電子相互作用的單拓撲材料最終可能用於拓撲量子計算。」
「下一步將是利用受拓撲保護的量子態和強相互作用的組合來設計物質的新量子態，比如拓撲超導體，」論文的資深理論家、伊利諾伊大學芝加哥分校物理學教授德克·莫爾(Dirk Morr)說，「它們非凡的特性為拓撲量子比特的實現提供了前所未有的可能性。」
本文來源前瞻網，轉載請註明來源。本文內容僅代表作者個人觀點，本站只提供參考並不構成任何投資及應用建議。（若存在內容、版權或其它問題，請聯繫：service@qianzhan.com） 品牌合作與廣告投放請聯繫：0755-33015062 或 hezuo@qianzhan.com
相關焦點
-
一種新的量子材料--拓撲絕緣體
2006年，美國史丹福大學的科學家提出，在碲化汞量子阱體系中可能存在無需磁場而由本徵材料能帶結構產生的拓撲絕緣態，而這種特殊的拓撲絕緣體態將引起非常有趣的「量子自旋霍爾效應」，該效應入選科學評出的2007年十大科學突破並列第二位。 -
新拓撲絕緣體有可預測的最大能隙
原標題：新拓撲絕緣體有可預測的最大能隙 美國猶他大學的研究人員創建出一種新的拓撲絕緣體，其可作為矽半導體頂部金屬層的特殊材料，將使超高速計算機在室溫下執行快速運算成為可能。該項研究成果刊登在近日美國《國家科學院學報》上。 -
4D超材料!拓撲絕緣體進入第四維空間
，被稱為拓撲絕緣體的材料也具有能夠在其表面導電的非凡特性。類似的想法是拓撲絕緣體的基礎，但是這種情況下的轉換不涉及材料的空間特性。相反，它涉及在材料中流動的電子的波函數。這些包含實際上是一個結，因此無法將拓撲絕緣體平滑地轉換為普通絕緣體。相反，該材料必須首先成為金屬。這意味著即使材料的大部分是絕緣的，它與外界的物理邊界也可以導電。 -
小薄膜大突破 人類或將進入拓撲量子計算時代
有了拓撲量子計算機，像實時天氣預報這樣便捷的生活將會變成現實。上海交通大學物理系賈金鋒、錢冬研究組今天宣布，他們在實驗室製備出一種由拓撲絕緣體材料和超導體材料複合而成的特殊人工薄膜。這種特殊的薄膜是產生Majorana費米子的必要條件。該團隊有望在年內實現探測Majorana費米子的突破。 -
量子計算的裡程碑:科學家實驗性觀測到拓撲絕緣體表面電流
鳳凰科技訊 北京時間3月4日消息據科學日報報導， 在最新一期的《自然•物理學》上，德國科學家報告稱他們實驗性的觀察到電流流經拓撲絕緣體晶體表面通道。這一通道不足1納米寬， 沿著晶體晶格的原子臺階延伸。科學家們還展示了在任何排列裡如何引入這些原子臺階。 -
科學家利用拓撲絕緣體優化量子計算機關鍵組件!
導讀澳大利亞雪梨大學、微軟、美國史丹福大學的研究人員組成的團隊對於大規模量子計算的必要組件進行了小型化處理。2006年，研究人員首次發現了一種新奇量子特性的物質狀態：拓撲絕緣體。這項研究成為了拓撲絕緣體的首個實際應用。 -
黃銅礦中存大量拓撲絕緣體材料
拓撲絕緣體已成為材料研究領域中的「明星」[Nature 466, 310 (2010)]，吸引著眾多科學家的目光，理論和實驗兩方面的研究工作進展都極為迅速。拓撲絕緣體是一種新奇的量子物態，具有絕緣體和導體雙重特性，通過引入超導序和鐵磁序，拓撲絕緣體可能在量子計算機和自旋電子學等領域有著潛在的廣泛應用。 -
《自然》:量子絕緣體為電子創造了多道高速公路
在最新一期的《自然》雜誌上刊登了一篇重要論文，科學家通過實驗證明了一種量子現象，即所謂的高陳氏數量子異常霍爾效應（high Chern number quantum anomalous Hall）。論文作者中絕大多數為中國學者。量子霍爾效應是霍爾效應的量子力學版本。 -
科學家研製量子自旋霍爾拓撲絕緣體
這種微型設備正式名稱為「量子自旋霍爾拓撲絕緣體」，可以用作「電子高速公路」，是量子計算機中產生量子粒子用來存儲和處理數據的關鍵構件之一。 如今，傳統的計算機採用「0」或「1」二進位數據。而量子計算機採用的則是量子比特，它可以同時代表「0」和「1」。這就是量子力學奇怪的現象之一。杜瑞瑞教授介紹說，這一特性讓量子計算機擁有超強的計算能力。 -
拓撲絕緣體研究取得重要進展
本報訊 日前，在中國科學院、國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃和國際科技合作計劃的支持下，中國科學院物理研究所、北京凝聚態物理國家實驗室博士張海軍，研究員戴希、方忠所在的T03組在拓撲絕緣體的研究方向上取得重要突破。 -
內稟磁性拓撲絕緣體的實驗實現
內稟磁性拓撲絕緣體的實驗實現 拓撲絕緣體是一類由時間反演對稱性保護的拓撲物態，因此是非磁性的。有意思的是，人們在拓撲絕緣體中期待的新奇量子效應之中的相當一部分需要引入磁有序破壞其時間反演對稱性才能出現。 -
彭海琳丨拓撲絕緣體:基礎及新興應用
作為一種全新量子物態，拓撲絕緣體的發現被認為是繼石墨烯之後的「Next Big Thing」。拓撲絕緣體對基礎物理的理解和半導體器件的應用都有巨大的價值，因而逐漸成為凝聚態物理和電子學領域的研究熱點，受到全球科學家關注，以期解決摩爾定律即將失效的難題，突破能源、信息等領域面臨的瓶頸。 -
拓撲絕緣體簡介
1982年，Thouless等人指出，σxy對系統自身變化的不敏感性來源於QHE體系的拓撲不變性，描述它的拓撲不變量稱為Chern 數 (用整數 n 表示)，其能帶的拓撲性與一般絕緣體截然不同：QHE態中 n 為非零的整數，對應量子電導前的係數；普通絕緣體，n 為零。普通絕緣體和真空有相同的拓撲分類。 -
第一次成功地為拓撲絕緣體,構建出量子點接觸
拓撲絕緣體是具有迷人特性的材料：電流僅沿其表面或邊緣流動，而材料的內部則表現為絕緣體。2007年德國巴伐利亞州Julius-Maximilians-Universitt(JMU)Würzburg的Laurens Molenkamp教授率先通過實驗證明了這種拓撲態的存在，他的團隊利用基於汞和碲的量子阱(HgTe)完成了這項開創性研究。從那時起，這些新穎的材料就成為了新一代元件的希望，例如，這些組件有望實現信息技術的創新。 -
拓撲絕緣體實驗研究取得新進展
原位角分辨光電子能譜測量顯示，這些薄膜具有本徵的絕緣體特徵。三維拓撲絕緣體的量子薄膜的實現為理論預言的量子反常霍爾效應、巨大熱電效應、激子凝聚等新奇量子現象的研究提供了基礎，是在拓撲絕緣體材料製備方面的一個重要進展。 -
拓撲絕緣體的一個新突破
但有一種神奇的材料，它的內部是絕緣的，界面卻是可以導電的，這種材料被稱為拓撲絕緣體。自發現以來，拓撲絕緣體一直是凝聚態物理的研究熱點。 拓撲絕緣體的能帶示意圖。通常絕緣體的導帶（conduction band）與價帶（valence band）之間存在能隙，電子無法傳導，而在拓撲絕緣體的表面存在一些位於能隙間的量子態——拓撲表面態（topological surface state），允許電子傳導。 -
新加坡科學家打造出兆赫茲無線晶片，為邁向6G 鋪平道路
新加坡南洋理工大學和日本大阪大學科學家運用稱為光子拓撲絕緣體（photonic topological insulators）的概念，打造了一種能傳輸兆赫茲波的新晶片，為實現超過5G 標準的數據傳輸速度鋪平道路。 -
清華大學物理系研究團隊發現內稟磁性拓撲絕緣體
清華大學物理系研究團隊發現內稟磁性拓撲絕緣體清華新聞網6月20日電 近日，清華大學物理系何珂、薛其坤等人的實驗研究團隊和徐勇、段文暉等人的理論研究團隊合作首次發現了一種內稟磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4，為提升量子反常霍爾效應的溫度開闢了一條新的道路，並為多種新奇拓撲量子物態和效應的研究提供了一個理想平臺 -
中國科學家:光子無定形拓撲絕緣體
拓撲絕緣體是一種內部絕緣、界面允許電荷移動的材料。在拓撲絕緣體的內部，電子能帶結構和常規的絕緣體相似，其費米能級位於導帶和價帶之間。在拓撲絕緣體的表面存在一些特殊的量子態，這些量子態位於塊體能帶結構的帶隙之中，從而允許導電。 -
中科院外籍院士:新材料拓撲絕緣體將進入應用階段
圖說：新材料拓撲絕緣體將進入應用階段。網絡圖【新民晚報·新民網】主宰電子信息產業飛速發展幾十年的摩爾定律會失效嗎？昨天下午，市科協第十四屆學術年會暨第十一屆上海工程師論壇上，史丹福大學終身教授、美國科學院院士、中科院外籍院士張首晟在報告中預言，擁有「電子高速公路」的拓撲絕緣體將進入應用階段，為人類帶來新的半導體材料、能源材料，解決摩爾定律即將失效的難題。