可以使用光來控制量子材料中的獨(dú)特電特性

量子物理學(xué)的見解使工程師能夠?qū)㈦娐钒澹饫w和控制系統(tǒng)中使用的元件整合到從智能手機(jī)到高級(jí)微處理器的新應(yīng)用中。但是，即使近年來取得了重大進(jìn)展，研究人員仍在尋找新的更好的方法來控制量子材料獨(dú)特的強(qiáng)大電子特性。

賓夕法尼亞大學(xué)研究人員的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，Weyl半金屬是一類量子材料，具有體量子態(tài)，其電性能可用光控制。該項(xiàng)目由Ritesh Agarwal和研究生Zhurun Ji在工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)，與藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的Charles Kane，Eugene Mele和Andrew M. Rappe以及南洋理工大學(xué)的Zheng Liu合作。Penn的Zachariah Addison，Gerui Liu，Wenjing Liu，Heng Gao和Nanyang的Peng Yu也為這項(xiàng)工作做出了貢獻(xiàn)。他們的研究結(jié)果發(fā)表在Nature Materials上。

Agarwal首先在硅片中報(bào)道了這些非傳統(tǒng)的光電性質(zhì)或使用光產(chǎn)生電流的能力的暗示。他的小組能夠通過改變材料表面上的手性或硅原子排列的固有對(duì)稱性來控制電流的移動(dòng)。

“當(dāng)時(shí)，我們也試圖了解拓?fù)浣^緣體的性質(zhì)，但我們無法證明我們所看到的是來自那些獨(dú)特的表面狀態(tài)，”Agarwal解釋說。

然后，在對(duì)Weyl半金屬進(jìn)行新實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，大量材料中存在獨(dú)特的量子態(tài)，Agarwal和Ji得到的結(jié)果與任何可以解釋電場(chǎng)在被光激活時(shí)如何移動(dòng)的理論都不匹配。代替在單個(gè)方向上流動(dòng)的電流，電流以旋轉(zhuǎn)的圓形圖案圍繞半金屬移動(dòng)。

Agarwal和Ji轉(zhuǎn)向Kane和Mele幫助開發(fā)一個(gè)新的理論框架，可以解釋他們所看到的內(nèi)容。在進(jìn)行了新的，非常徹底的實(shí)驗(yàn)以迭代地消除所有其他可能的解釋之后，物理學(xué)家能夠?qū)⒖赡艿慕忉尶s小到與光束結(jié)構(gòu)相關(guān)的單一理論。

“當(dāng)你對(duì)物質(zhì)發(fā)光時(shí)，將光束視為橫向均勻是很自然的，”梅勒說。“使這些實(shí)驗(yàn)有效的原因是光束有一個(gè)邊界，使電流流通的原因與其在光束邊緣的行為有關(guān)。”

利用這一新的理論框架，并結(jié)合Rappe對(duì)材料內(nèi)部電子能級(jí)的見解，Ji能夠確認(rèn)電流的獨(dú)特圓周運(yùn)動(dòng)?？茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)，可以通過改變光束的結(jié)構(gòu)來控制電流的方向，例如改變其偏振方向或光子的頻率。

“以前，當(dāng)人們進(jìn)行光電測(cè)量時(shí)，他們總是認(rèn)為光是平面波。但我們打破了這個(gè)限制，并證明不僅光偏振而且光的空間色散都會(huì)影響光物質(zhì)相互作用過程，”Ji說。 。

這項(xiàng)工作使研究人員不僅可以更好地觀察量子現(xiàn)象，而且還可以通過改變光束模式來設(shè)計(jì)和控制獨(dú)特的量子特性。“調(diào)制光的偏振和強(qiáng)度可以改變電荷傳輸方式的想法可能是強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)理念，”Mele說。

由于這些結(jié)果，分別基于光子或電子自旋轉(zhuǎn)移數(shù)字化信息的“光子”和“自旋”材料的未來發(fā)展也成為可能。Agarwal希望將這項(xiàng)工作擴(kuò)展到包括其他光束模式，例如“扭曲光”，它可用于創(chuàng)建新的量子計(jì)算材料，允許將更多信息編碼到單個(gè)光子上。

“對(duì)于量子計(jì)算，所有平臺(tái)都是基于光的，所以它是光子，它是量子信息的載體。如果我們可以在芯片上配置我們的探測(cè)器，一切都可以集成，我們可以直接讀出光子的狀態(tài)，“Agarwal說。

Agarwal和Mele強(qiáng)調(diào)Ji所做的“英勇”努力，包括在進(jìn)行一系列全新實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行的額外一年的測(cè)量，這些實(shí)驗(yàn)對(duì)于研究的解釋至關(guān)重要。“我很少見到一個(gè)研究生面臨這樣的挑戰(zhàn)，他不僅能夠勝任它，而且能夠掌握它。她主動(dòng)做一些新的事情，她完成了，”梅勒說。