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【產通社，1月13日訊】科學家首次在拓撲絕緣體中檢測到激子（電中性準粒子），這些發現是來自Bologna、Wroclaw、New York、Oldenburg、Würzburg的科學家密切合作的結果，鉍烯的2D材料樣品在JMU Würzburg生產的。發現為新一代光驅動計算機芯片和量子技術鋪平了道路，成果已經發表在《自然通訊》雜志上。
固體物理學的新工具箱
在為未來的量子技術尋找新材料的過程中，由于、來自維爾茨堡（Würzburg）和德累斯頓（Dresden）兩所大學組成的卓越集群ct.qmat的科學家們，正專注于可以實現無損電流傳導和強大信息存儲的拓撲絕緣體的研究。這種材料的第一次實驗實現發生在2007年的Würzburg，推動了世界范圍內固態物理學的研究熱潮，并一直持續到今天。
以前使用的拓撲絕緣體概念是基于施加電壓來控制電流，這是一種在傳統計算機芯片中采用的方法。然而，如果奇異物質的性質是基于電中性粒子（既不帶正電也不帶負電），電壓就不再起作用。因此，這種量子現象需要其他工具才能產生，比如光。
光學和電子學通過量子現象聯系在一起
來自Würzburg的量子物理學家兼ct.qmat的聯合發言人Ralph Claessen教授領導的一個國際研究小組，現在有了一個關鍵的發現。“我們第一次能夠在拓撲絕緣體中產生并實驗性地探測到被稱為激子（exciton）的準粒子。因此，我們為固態物理學創造了一個新的工具包，可通過光學來控制電子學。”正如Claessen強調的，“這一原理可能成為新型電子元件的基礎。”
激子是電子準粒子。雖然它們看起來像獨立的粒子，但實際上它們代表了一種只能在某些類型的量子物質中產生的受激電子態。“我們通過向僅由一層原子組成的薄膜施加短光脈沖來制造激子，”Claessen解釋道。他說，這一點的不尋常之處在于，激子是在拓撲絕緣體中被激活的——這在以前是不可能的。“這為拓撲絕緣體開辟了一條全新的研究路線道。”
三激子鉍
大約十年來，激子已經在其他二維半導體中被研究，并被視為光驅動元件的信息載體。“我們首次設法在拓撲絕緣體中用光學激發激子。光和激子之間的相互作用，意味著我們可以期待這種材料中的新現象。例如，這個原理可以用來產生量子位（qubit）”，Claessen說。
量子位是量子芯片的計算單位。它們遠遠優于傳統的bits，可以在幾分鐘內解決傳統超級計算機需要幾年才能完成的任務。由于使用光而不是電壓，量子芯片具有更快的處理速度。因此，最新的發現為未來的量子技術和微電子領域的新一代光驅動器件鋪平了道路。
Würzburg的全球專業知識
選擇正確的原材料至關重要——在這種情況下，就是鉍烯。“這是奇跡材料石墨烯的重兄弟，”Claessen說，他五年前首次在實驗室定制拓撲絕緣體。“我們是這個領域的全球領導者。由于我們復雜的材料設計，單層鉍烯的原子排列成蜂窩圖案，就像石墨烯一樣。區別在于鉍烯的重原子使其成為拓撲絕緣體，這意味著它可以沿著邊緣無損耗地導電——即使在室溫下。這是石墨烯做不到的。”
首次在拓撲絕緣體中產生了激子后，研究小組現在的注意力正轉向準粒子本身。ct.qmat卓越集群的科學家正在研究鉍烯的拓撲性質是否會轉移到激子。科學地證明這一點是研究人員著眼的下一個里程碑。它甚至為拓撲量子位的構建鋪平了道路，與非拓撲量子位相比，拓撲量子位被認為是特別魯棒的。（Donna Zhang，張底剪報）
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