光驱动电子产品的新里程碑

在维尔茨堡-德累斯顿卓越集群ct.qmat内合作的国际科学家团队在量子研究方面取得了突破——首次检测到拓扑绝缘体中的激子(电中性准粒子)。

这一发现为新一代光驱动计算机芯片和量子技术铺平了道路。由于拓扑绝缘体的发源地维尔茨堡的智能材料设计，它得以实现。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

固态物理学的新工具箱

在为未来的量子技术寻找新材料的过程中，位于维尔茨堡和德累斯顿的两所大学的卓越集群ct.qmat——量子物质的复杂性和拓扑学——的科学家们正在关注的一个领域是拓扑绝缘体，它使无损传导电流和稳健的信息存储。这种材料类别的首次实验实现于2007年在维尔茨堡进行，推动了世界范围内固态物理学的研究热潮，这种热潮一直持续到今天。

以前使用拓扑绝缘体的概念是基于施加电压来控制电流——这是传统计算机芯片采用的一种方法。然而，如果奇异材料特性基于电中性粒子(既不带正电也不带负电)，则电压不再起作用。因此，如果要产生这种量子现象，就需要其他工具——例如光。

光学和电子学通过量子现象联系在一起

由来自维尔茨堡的量子物理学家、ct.qmat的联合发言人RalphClaessen教授领导的国际研究团队现已取得一项重要发现。“这是我们第一次能够在拓扑绝缘体中生成并通过实验检测被称为激子的准粒子。因此，我们创建了一个新的固态物理学工具包，可用于光学控制电子，”Claessen说.“这一原则可能成为新型电子元件的基础。”

激子是电子准粒子。尽管它们看起来像独立的粒子，但它们实际上代表了一种只能在某些类型的量子物质中产生的激发电子态。“我们通过将短光脉冲应用于仅由一层原子组成的薄膜来产生激子，”Claessen解释说。他说，这有什么不寻常之处在于激子在拓扑绝缘体中被激活——这在以前是不可能的。“这为拓扑绝缘体开辟了一条全新的研究路线，”Claessen补充道。

大约十年来，激子一直在其他二维半导体中进行研究，并被视为光驱动组件的信息载体。“这是我们第一次设法在拓扑绝缘体中光学激发激子。光与激子之间的相互作用意味着我们可以期待在这种材料中出现新现象。例如，可以使用该原理来生成量子位，”说克拉森。

量子比特是量子芯片的计算单元。它们远远优于传统的比特，可以在几分钟内解决传统超级计算机实际上需要数年才能完成的任务。i使用光而不是电压可以使量子芯片的处理速度快得多。因此，最新发现为未来的量子技术和微电子领域的新一代光驱动设备铺平了道路。

来自维尔茨堡的全球专业知识

正确的起始材料至关重要——在本例中为铋烯。“它是神奇材料石墨烯的沉重兄弟姐妹，”Claessen说，他五年前在实验室首次定制了拓扑绝缘体。“我们是该领域的全球领导者，”他补充道。

“由于我们精密的材料设计，单层铋烯的原子排列成蜂窝状，就像石墨烯一样。不同之处在于，铋烯的重原子使其成为拓扑绝缘体，这意味着它可以沿边缘无损耗地导电-即使在室温下。石墨烯无法做到这一点。”

潜力巨大

现在研究团队首次在拓扑绝缘体中产生了激子，注意力正转向准粒子本身。

ct.qmat的科学家正在研究铋烯的拓扑特性是否会转移到激子上。科学地证明这一点是研究人员关注的下一个里程碑。它甚至可以为构建拓扑量子比特铺平道路，与非拓扑量子比特相比，拓扑量子比特被认为特别稳健。