非稀土化合物:新型雙層人造薄片材料或為量子計算新平台提供支撐

SCI Tech Daily 報道稱:物理學家 Viliam Vaňo 與同事們,剛剛創造了一種新型超薄兩層材料,特點是具有通常需要稀土化合物才能實現的量子特性。這種相對容易製造、但又不含任何稀土金屬的材料,有望為量子計算提供一個新平台、以及推進對非常規超導性和量子臨界性的研究。

1.png

研究配圖 – 1:人工重費米子異質結構(via Nature)

從看似普通的材料開始着手,研究人員指出了一種全新的物質量子態。這一發現源於其努力創造的一種量子自旋液體,可藉此來研究規範理論等新興量子現象。

具體說來,其涉及單層原子厚度的二硫化鉭製造,並且用到了雙層工藝。當研究人員仔細檢查“島嶼”的結構時,他們發現雙層之間的相互作用,引發了所謂的“近藤效應”現象 —— 即導致物質產生宏觀糾纏狀態的費米子系統。

2.png

研究配圖 – 2:垂直異質結構中的近藤效應(共振)

Viliam Vaňo 在接受採訪時稱,這種新型超薄雙層材料的量子特性,有助於改進量子計算機的設計、並推動對超導性和量子臨界性的研究。

所謂“近藤效應”,特製磁性雜質與電子之間的相互作用,它導致材料的電阻隨溫度而發生變化。這樣的表現,顯得它們似乎具有更大的質量。

於是物理學家將這些化合物稱作重費米子材料,而相關現象也是含有稀土元素的材料的一項標誌。

3.png

研究配圖 – 3:垂直異質結構中的重費米子雜化間隙

在前沿物理學的多個領域,重費米子材料都很被看重(包括對量子材料的研究)。Peter Liljeroth 教授指出,學界一直想要深入研究複雜的量子材料,但又往往受到天然化合物特性的阻礙。

為此,他們提出了人工設計材料的製造計劃,特點是能夠很輕鬆地在外部進行調節和控制,以擴大能夠在實驗室環境下看到的奇異現象的範圍。

以能夠充當拓補超導體的重費米子材料為例,其可能有助於打造在環境噪聲和擾動影響下更顯穩健的量子比特,從而降低量子計算機的錯誤率。

0-2.jpg

研究一作(PDF)、Liljeroth 團隊里的博士生 Viliam Vaňo 解釋稱:能夠在現實生活中創造的重費米子材料系統,可以很輕鬆地整合到電子設備中、並在外部進行調整。

值得一提的是,雖然該團隊打造的雙層超薄材料都基於硫化鉭,但兩層的特性卻不盡相同 —— 其中一層表現得更像是金屬,而發生了結構變化的另一層,則導致電子被定位到了規則的晶格中。

兩者結合之下,最終催生了重費米子的物理現象出現 —— 而任意單獨一層材料都做不到這點。

展望未來,Liljeroth 團隊希望進一步探索每個薄片是如何相對於另一個薄片的旋轉做出反應的,並嘗試修改層之間的耦合、以將材料調整至能夠產生量子臨界行為。