磁量子材料實(shí)現(xiàn)單向電傳輸，有望用于未來器件

賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家將量子物理的兩個(gè)分支融合在單一材料中，為研究復(fù)雜的電學(xué)效應(yīng)提供了一種更簡(jiǎn)便的方法。

賓夕法尼亞州立大學(xué)和圣路易斯大學(xué)的科學(xué)家證實(shí)，一種磁性量子材料能夠天然地產(chǎn)生不尋常的量子行為，而此前研究人員主要通過特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)和電子系統(tǒng)來探索這類現(xiàn)象。這一突破可能為先進(jìn)傳感器以及超越傳統(tǒng)電子器件能力的未來量子器件開辟一條實(shí)用道路。

研究團(tuán)隊(duì)將量子研究中兩個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域結(jié)合起來，利用磁性拓?fù)洳牧蟻硌芯糠嵌蛎孜锢恚@一新興領(lǐng)域主要考察具有非傳統(tǒng)行為的系統(tǒng)。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上，表明這種材料本身就能產(chǎn)生這些效應(yīng)，無需依賴復(fù)雜的人工平臺(tái)。

天然量子平臺(tái)

非厄米物理正吸引著越來越多的關(guān)注，因?yàn)樗茴A(yù)言標(biāo)準(zhǔn)物理模型難以解釋的行為。某些系統(tǒng)會(huì)對(duì)極微小的擾動(dòng)變得異常敏感，這使它們對(duì)傳感技術(shù)具有吸引力；另一些系統(tǒng)則迫使電流或量子態(tài)聚集在特定位置，而不是均勻地分布在整個(gè)器件中。

研究人員利用量子反常霍爾絕緣體展示了這些效應(yīng)。這是一種磁性拓?fù)洳牧希鋬?nèi)部會(huì)阻斷電流通過，但允許電子僅沿其邊緣單向傳輸。

這種單向運(yùn)動(dòng)自然地形成了具有方向性的電傳輸路徑。傳統(tǒng)的電子網(wǎng)絡(luò)通常在兩個(gè)方向上行為相同，而量子反常霍爾材料打破了這種對(duì)稱性，使信號(hào)能夠根據(jù)方向的不同而以不同方式傳播。

“我們想證明這些現(xiàn)象可以在量子材料中自然涌現(xiàn)，”賓夕法尼亞州立大學(xué)電氣工程系助理教授莫爾塔扎·卡亞哈說。他表示，這項(xiàng)工作為利用量子材料構(gòu)建可擴(kuò)展的非厄米系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，而不必僅依賴基于光學(xué)或電路的設(shè)計(jì)。

邊緣態(tài)揭示物理機(jī)制

研究團(tuán)隊(duì)利用賓夕法尼亞州立大學(xué)二維晶體聯(lián)盟制造的磁性摻雜碲化鉍銻薄膜，制備了環(huán)形器件。與傳統(tǒng)的量子霍爾器件不同，這些材料在磁化后無需外加磁場(chǎng)，使得實(shí)驗(yàn)大為簡(jiǎn)化。

“這一量子反常霍爾平臺(tái)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，材料磁化后，可以在零外加磁場(chǎng)下研究手性邊緣態(tài)，”卡亞哈說。他還補(bǔ)充道，這一特點(diǎn)使其成為探索電子量子材料中非厄米行為的一個(gè)很有前景的平臺(tái)。

科學(xué)家們?cè)诿總€(gè)微型環(huán)周圍連接了多個(gè)電接觸點(diǎn)，并追蹤電信號(hào)在它們之間的傳輸情況。這些測(cè)量結(jié)果使研究人員得以重構(gòu)材料的電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，并將其與著名的Hatano-Nelson理論模型進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)揭示了非厄米趨膚效應(yīng)的特征，即量子態(tài)集中在系統(tǒng)的一端，而不是保持均勻分布。此前研究人員已在人工設(shè)計(jì)的平臺(tái)中觀察到這一現(xiàn)象，但在一類拓?fù)淞孔硬牧现姓故具@一效應(yīng)，則是一項(xiàng)重大進(jìn)展。

邁向?qū)嵱闷骷?/strong>

團(tuán)隊(duì)還證明，他們可以通過柵極電壓來調(diào)節(jié)材料的行為，這為研究電傳輸如何影響非厄米動(dòng)力學(xué)提供了另一種手段。雖然這項(xiàng)工作側(cè)重于基礎(chǔ)物理，但其影響可能遠(yuǎn)不止于此。將拓?fù)淞孔硬牧吓c非厄米物理相結(jié)合，最終可能實(shí)現(xiàn)能夠響應(yīng)極微小電信號(hào)、磁信號(hào)及其他環(huán)境信號(hào)的超靈敏探測(cè)器。

卡亞哈表示，磁性拓?fù)浣^緣體為解答有關(guān)量子傳輸和拓?fù)涞幕A(chǔ)問題提供了一個(gè)靈活的平臺(tái)。他指出，其所用的制備方法已經(jīng)支持商業(yè)規(guī)模的制造。下一步的挑戰(zhàn)是找到能夠充分利用這些新近展示的量子效應(yīng)的實(shí)際傳感應(yīng)用。

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