借助量子臨界性與電子拓?fù)鋵W(xué)融合
科技日?qǐng)?bào)北京1月18日電 (記者張夢(mèng)然)一項(xiàng)發(fā)表于新一期《自然·物理》雜志、由美國萊斯大學(xué)等機(jī)構(gòu)科研人員主導(dǎo)的研究,報(bào)道了一種能為未來技術(shù)提供動(dòng)力的新型量子物質(zhì)態(tài)。該研究融合了量子臨界性與電子拓?fù)鋵W(xué)這兩個(gè)重要物理領(lǐng)域,可為計(jì)算、傳感及材料科學(xué)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。
團(tuán)隊(duì)通過理論模型預(yù)測(cè),電子在強(qiáng)相互作用下能夠產(chǎn)生拓?fù)湫袨。量子臨界性通常描述電子處于不同有序相之間的狀態(tài),而拓?fù)鋵W(xué)則關(guān)注電子波函數(shù)中那些對(duì)外部干擾表現(xiàn)“穩(wěn)定”的特征。過去,這兩個(gè)現(xiàn)象都是在不同類型的材料中被分別研究:拓?fù)洮F(xiàn)象常見于電子相互作用較弱的系統(tǒng),而量子臨界性則出現(xiàn)在電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)的材料中。
新研究首次在理論上將兩者結(jié)合,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。模型表明,電子間的強(qiáng)相互作用可以在量子臨界點(diǎn)附近誘導(dǎo)出拓?fù)湫袨。隨后,奧地利維也納工業(yè)大學(xué)課題組為該理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)支持。他們?cè)谝环N重費(fèi)米子材料中觀測(cè)到與理論模型相符的行為,顯示出新的拓?fù)淞孔討B(tài)的跡象。
這一發(fā)現(xiàn)對(duì)量子技術(shù)發(fā)展具有潛在意義。拓?fù)洳牧贤ǔ>邆浞(wěn)定的物理特性,而量子臨界性往往伴隨著強(qiáng)量子糾纏和高對(duì)外界擾動(dòng)的敏感性。二者的結(jié)合可能為發(fā)展更穩(wěn)健、高靈敏度的量子器件,如用于計(jì)算、傳感或低功耗電子學(xué)的元件提供新的材料平臺(tái)。
該研究也為今后探索和設(shè)計(jì)具有類似量子行為的系統(tǒng)提供了方向。在位于量子臨界點(diǎn)附近的材料中,有可能尋找到兼具拓?fù)涮匦缘捏w系。隨著對(duì)這種新物質(zhì)狀態(tài)的進(jìn)一步研究,更多非常規(guī)量子行為有望被揭示。將量子臨界性與拓?fù)鋵W(xué)結(jié)合的思路,也有可能從根本上改變未來量子材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。
研究團(tuán)隊(duì)表示,這不僅是一個(gè)理論上的重大進(jìn)展,更是向著真正利用量子物理深刻原理來開發(fā)實(shí)用技術(shù)邁出的一步。
【總編輯圈點(diǎn)】
量子材料仿佛一個(gè)遵循獨(dú)特規(guī)則的“微觀宇宙”。在這里,電子不再只是微小的帶電粒子,而會(huì)像“心靈感應(yīng)”一樣跨越空間相互關(guān)聯(lián)。這些材料的奇妙特性,源于電子在原子尺度上受到量子力學(xué)的支配。量子材料相關(guān)研究,好比在微觀世界探索新大陸。它不僅是理解物理世界規(guī)律的窗口,更有可能在未來催生革命性技術(shù)。從構(gòu)建接近零損耗的智慧電網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)算力飛躍的下一代計(jì)算機(jī),到打造更加安全的量子通信,量子材料都將是不可或缺的重要基石。