李强教授,1986年毕业于中国科学技术大学,1991年获得衣阿华州立大学物理学博士学位。此后一直供职于布鲁克海文国家实验室(BNL),并在2011年12月获得终身职位。现为该实验室凝聚态物理与材料科学部研究组长。

近期,李强教授与美国能源部(DOE)阿姆斯国家实验室(Ames Laboratory)的王教授(Prof. Jigang Wang)共同撰写了一篇论文,发表在《自然·材料》杂志上[2]。

助燃量子计算,外尔半金属“扭转”乾坤-量子客
图1|论文(来源:Nature Materials)

论文中描述了新的光诱导开关,这种开关可以扭转外尔半金属(Weyl semimetal)的晶格,开启一个看起来几乎无耗散的巨大电子流。该特性的发现和控制,使得这些材料离量子计算等应用又近了一步。

Weyl和Dirac半金属具有奇特的、几乎无耗散的电子传导特性,这些特性利用晶格中的独特状态,和材料中的电子结构来保护电子。

这些异常电子输送通道受到对称性和拓扑结构的保护,通常不会出现在传统的金属当中。而经过漫长的几十年,这种电子特性的讨论范围都局限在物理背景之下,导致人们对其制造、探索、提炼和控制以用于设备应用的兴趣日益增长。

例如,量子计算的大规模应用需要构建一种能够保护脆弱量子态的器件,而实现此目标的方法之一,就是通过发展拓扑量子计算。其中,量子比特基于不受噪声影响的“对称保护(symmetry-protected)”的无耗散电流。

李教授表示,目前为止缺少的是一种低能量、高速度的开关,来诱导和控制这些材料的对称性。团队发现的光对称开关,为携带无耗散电流提供了一个绝佳的机会,而这种无耗散电流是一种受拓扑保护的状态,在遇到材料中出现的缺陷和杂质时,不会减弱或放慢。

助燃量子计算,外尔半金属“扭转”乾坤-量子客
图2|李强教授(来源:BNL)

王教授表示,光诱导的晶格扭转,或者说声子开关,可以控制晶体的反演对称性,并以非常小的电阻产生巨大的电流。这种新的控制原理不需要静电场或磁场,其速度更快、能耗更低。

此次试验中,研究小组利用激光脉冲扭转晶体的晶格排列,从而改变了材料电子结构的对称性。

这种光开关使材料中的外尔点(Weyl points)成为可能,使电子表现为无质量粒子,从而携带受保护的、低耗散电流,而这正是人们长期所寻求的。

 

参考链接:

[1]https://news.stonybrook.edu/facultystaff/sbus-qiang-li-collaborated-on-discovery-that-can-advance-quantum-computing/

[2]https://www.nature.com/articles/s41563-020-00882-4

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁艳