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超导电性的规则反映在“激子绝缘体”
发布时间:2018-02-12 08:48:29 阅读:204

来源:phys.org;电子科技大学太赫兹研究中心 四川太赫兹应用研究联合课题组 朱浩 编译

莱斯大学的“拓扑激子绝缘体”由半导体薄片(顶部)组成,它在大约10K的临界温度下成为绝缘体。在这个临界点上,超流体的激子量子液体——一对带负电荷的电子(蓝点)和带正电荷的电子空穴(红点)——在装置内部形成(底部),从而实现绝缘。Credit: R. Du/Rice University

    莱斯大学的物理学家们致力于创造容错量子计算机的工作部件,已经成功地创造了一种前所未见的物质状态。

    ‘拓扑激子绝缘子’由中国与美国的一个国际团队在莱斯大学的实验中观测得到。研究人员本周在自然通讯杂志上发表了他们的研究成果。他们的设备有可能被用于拓扑量子计算机,这种量子计算机将信息存储在量子粒子中,这些量子粒子就像不易被破坏的结一样被“编织”在一起。这些稳定的、编织的“拓扑”量子位或拓扑量子位,可以克服当今量子计算的一个主要局限:非拓扑的量子位容易被“解码”,并丢失它们所存储的信息。

    传统的计算机使用二进制数据,即存储为1或0的信息。由于量子力学的特殊之处,量子位元可以表示0和1,同时在第三种状态下可以表示1和0。

    第三种状态可以用来加快计算速度,以至于一台只有几十个量子位的量子计算机可以像一个拥有十亿二进制晶体管的微芯片一样快速完成一些计算。

    在这项新研究中,莱斯大学物理学家Rui-Rui Du和前莱斯大学研究生Lingjie Du与北京大学和中国科学院的研究人员合作,研制出一种由超细的、堆叠的半导体微小片组成的绝缘材料。这些材料的宽度不超过100微米,在一块镓锑片上包含一块铟砷化物。当在液氦浴中冷却到大约10K的极低温时,在器件内部形成超流体量子液体,致使电流不再通过它们。

    “这和超导体的过程非常相似,在那里,电子会相互吸引,形成无阻力流动的电子对,”赖斯大学的物理学和天文学教授,莱斯量子材料中心(RCQM)研究员Rui-Rui D说,“在我们的例子中,电子与带正电荷的“电子空穴”配对,产生一种净电荷为零的超流体,”。

    LingJie Du现在是哥伦比亚大学博士后研究员,他说:“这是一种集体效应,所以对外界的观察者来说,系统通常会正常地导电,直到它被冷却到临界温度,然后发生相转变,成为一个完美的绝缘体。”

    为了证明该装置是一种长期寻找的激子绝缘体,该团队首先证明了该流体是一种量子凝聚物。这项任务交给了RCQM研究员Junichiro Kono实验室的研究生Xinwei Li。莱斯大学电子工程学教授Li和Kono,在堆叠的半导体冷却至临界温度时发出太赫兹波,发现样品在两个不同的频带时,它吸收了太赫兹能量,这是量子凝聚的特征。

    这表明这个设备是围绕其周边的一维带中的电导率测试的拓扑结构。

    “这种边缘状态的新特性是人们非常感兴趣的,”Rui-Rui Du说。“这个边缘状态没有电阻,得到的传导性与电子自旋矩相联系。如果它们是一种类型的自旋,它们就顺时针旋转,如果是另一种情况,它们就会逆时针旋转。”

    建立在这些相反电子流上的编织电路将具有固有的拓扑特征,可以用来形成容错量子位。

    “另一个美妙之处在于,同样的原理在室温下仍然适用,”Rui-Rui Du说。“有一些原子层状的材料,如二硫化钨,只要它们能以足够纯净的形式被制成,那么在室温条件下可能会产生同样的效果。”

 
 

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