科学家将两种“不可能”的材料融合成新的人工结构

《Nano Letters》Epitaxial Stabilization of a Pyrochlore Interface between Weyl Semimetal and Spin Ice

　　

由罗格斯大学-新不伦瑞克大学的研究人员领导的一个国际团队将两种实验室合成的材料合并到一个曾经被认为不可能存在的合成量子结构中，并产生了一种奇异的结构，有望为量子计算的核心提供可能导致新材料的见解。

这项研究发表在《纳米快报》（Nano Letters）杂志的封面故事中，它解释了四年来不断的实验是如何产生一种新方法来设计和建造一个独特的、由不同原子层组成的微小三明治。微观结构的一部分由钛酸镝组成，这是一种用于核反应堆中捕获放射性物质并含有难以捉摸的磁单极子粒子的无机化合物，而另一部分由焦绿石铱酸盐组成，这是一种新的磁性半金属，由于其独特的电子、拓扑和磁性，主要用于当今的实验研究。

单独来说，这两种材料通常被认为是“不可能”的材料，因为它们的独特性质挑战了对量子物理学的传统理解。

这种奇特的三明治结构的建造为在原子尺度上对材料相遇的区域进行所谓的界面的科学探索奠定了基础。

“这项工作为设计全新的人工二维量子材料提供了一种新方法，有可能推动量子技术的发展，并以以前不可能的方式更深入地了解它们的基本特性，”罗格斯艺术与科学学院物理与天文系的实验物理学教授杰克·查卡里安（Jak Chakhalian）说。他是这项研究的首席研究员。

Chakhalian和他的团队正在探索一个遵循量子理论定律的领域，量子理论是物理学的一个分支，描述了原子和亚原子水平上物质和能量的行为。量子力学的核心是波粒二象性的概念，其中量子物体可以同时具有波状和粒子状的特性——这是激光、磁共振成像（MRI）和晶体管等技术背后的基本原理。

Chakhalian高度赞扬了罗格斯大学的三名学生的努力，他们对这项研究做出了重大贡献：两位博士生Michael Terilli和chung - chi Wu，以及2024年毕业的多萝西·道蒂（Dorothy Doughty），她作为本科生参与了这项研究。此外，与Chakhalian合作的材料科学家Mikhail Kareev以及最近从物理与天文学系毕业的博士生Fangdi Wen对这种新的合成方法做出了主要贡献。

查卡里安说，创造这种独特的量子三明治在技术上是非常具有挑战性的，研究小组不得不制造一种新的设备来完成这项壮举。

该仪器名为Q-DiP，是量子现象发现平台的缩写，于2023年完工。Q-DiP结合了一个红外激光加热器和另一个激光器，可以在原子水平上逐层构建材料。这种结合使科学家们能够在接近绝对零度的超冷温度下探索材料最复杂的量子特性。

“据我们所知，这个探测器在美国是独一无二的，代表着一个突破性的工具进步，”查卡里安说。

实验夹层的一半是钛酸镝，也被称为自旋冰，具有特殊的性质。内部的微小磁铁被称为自旋，它们的排列方式看起来和水冰的模式一模一样。自旋冰中微小磁铁的独特结构使它们能够以称为磁单极子的特殊粒子的形式出现。

磁单极子是一种像磁铁一样的粒子，但只有一个极——要么是南极，要么是北极。1931年，诺贝尔奖得主保罗·狄拉克预言了这个物体，它在宇宙中不是以自由形式存在的，但在自旋冰内部，它作为材料内部量子力学相互作用的结果出现了。

在三明治的另一边，半金属火绿石铱酸盐也被认为是外来的，因为它含有微小的相对论性粒子，称为Weyl费米子。同样令人惊讶的是，尽管赫尔曼·魏尔（Hermann Weyl）早在1929年就预言了这一点，但2015年在晶体中发现的这些奇异粒子像光一样运动，并且可以以不同的方式旋转——左手或右手。它们的电子特性非常强，可以抵抗某些类型的干扰或杂质，使它们作为电子设备的一部分运行时非常稳定。因此，铱酸焦绿盐可以很好地导电，以不同寻常的方式对磁场做出反应，并在暴露于电磁场时表现出特殊效果。

查卡里安说，这种新材料的综合性能使其成为先进技术的有希望的候选者，包括量子计算，特别是下一代量子传感器。

他说：“这项研究是材料合成的一大进步，可能会对我们制造量子传感器和先进自旋电子设备的方式产生重大影响。”

量子计算运用量子力学的原理来处理信息。量子计算机使用量子比特或量子位同时存在于多个状态，这是由于一种被称为叠加的量子物理原理。这使得复杂的计算可以比传统计算机更有效地执行。

研究人员开发的材料的特定电子和磁性可以帮助创造非常不寻常但稳定的量子态，这对量子计算至关重要。

当量子技术成为现实时，它将彻底改变药物发现和医学研究，显著改善金融、物流和制造业的运营、可预测性和成本节约，从而对日常生活产生重大影响。科学家们表示，它还有望彻底改变机器学习算法，使人工智能系统更加强大。

Epitaxial Stabilization of a Pyrochlore Interface between Weyl Semimetal and Spin Ice