新的量子材料能夠以「接近光速」來導電

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比石墨烯還強。

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物理學家一直在測試新的二維量子材料的性質,可以來篡奪石墨烯(graphene),成為未來的「神奇材料」。

這些能夠以幾乎是光速來導電的材料,可能在下一代的超高速電腦中取代矽,甚至可以形成一種新的「奇特超導體」(exotic superconductor)的基礎,可能會真的打破時間逆轉對稱性(time-reversal symmetry),或是逆轉時間流。

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來自加州大學爾灣分校(University of California, Irvine)的研究人員之一Jing Xia說:「最終,我們可以採用物理學奇特的尖端理論,做出一些有用的事物。」

「我們正在為未來的100年,探索製造拓撲量子電腦的可能性(目前是理論上的)。」

Xie和他的團隊,以及來自美國和中國的幾所大學的研究人員,一直在研究少數的量子材料的潛力,這些量子材料可能在未來幾十年徹底改革運算。

自然期刊(Nature)科學進展期刊(Science Advances)自然材料期刊(Nature Materials)同時發表的三篇論文,描述了這些研究成果。

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特別有趣的是,這些材料展現出電子和磁性的特性,而電腦的記憶體和存儲系統需要這些特性。

二維碳原子薄片的石墨烯(graphene)是超柔韌、比鑽石更硬、而且比鋼還堅固。在導電方面,顯示出驚人的潛力。但在運算方面,有一個主要缺點,它不是磁性的。

這就是另外一個二維的類似材料,鍺鉻碲化物(chromium germanium telluride,CGT)的出現。

使用Xia所稱的世界上最靈敏的磁力顯微鏡,光纖薩格納克干涉儀(Sagnac interferometer),這個團隊觀察到微小的鍺鉻碲化物薄片,大小只有兩個原子厚,幾微米長,和幾微米寬。

說清楚一點,人的頭髮的寬度大約是17微米至180微米。

在攝氏負233度(華氏負387度)的溫度下,這個團隊能夠證實並測量鍺鉻碲化物的磁特性。

這最終回答了存在於量子物理學中有幾十年的問題,磁性是否可以存在於縮小到二維的材料中。

來自加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)、也在研究這種材料的研究員Xiang Zhang說:「這是一項令人興奮的發現。」

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「這個實驗為一個原子等級的薄且平坦的磁鐵,呈現確鑿的證據,這讓許多人感到驚訝。」

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以狄拉克費米子(Dirac fermion)和馬約拉納費米子(Majorana fermion)的形式,結合它的導電能力,無質量的粒子以幾乎是光速移動,而不像是現今電腦中的電子。現在這種材料自我證明很值得科學的興趣。

顯微鏡下的另一種新的量子材料是鉍(bismuth)和鎳(nickel)的混合物。當研究人員在非常低的溫度下,讓這兩個化學元素接觸(攝氏負269度或華氏負452度),他們發現「一種奇特的超導體打破了時間逆轉對稱性。」

也稱為T-對稱性(T-symmetry),時間逆轉對稱性與有效逆轉時間流的能力有關。

Xia說:「想像你把時鐘倒轉,然後一杯紅色的茶變成綠色,這不會讓這杯茶非常怪異嗎?對超導體來說,這確實是很怪異。」

「而這是第一次在2D材料中觀察到。」

現在,我們窺見到這些新的量子材料的潛力。下一步將是讓它們更為實際地用於未來完全創新的(但還未製造出來)量子電腦(quantum computer)

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而這意味著在更溫和的溫度下複製這些特性,藉由做出一項裝置,能夠在相當溫和的攝氏負33度(華氏負27度)下穩定2D材料,是Xia的團隊正順遂地在完成的事。

Xia開玩笑地說:「信不信由你,這比加拿大的一些地方還熱。這項研究工作是朝向在幾乎是室溫下,發展未來的量子電腦的一大進步。」

這三篇論文發表在自然期刊(Nature)科學進展期刊(Science Advances)、和自然材料期刊(Nature Materials)

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「語音合成由賽微科技提供」

來源:Science Alert