唧唧堂名校科研介绍2014-07-07 5:34 PM

新量子效应使电子高速穿越材料 

随着智能手机的更加智能化以及电脑更快速的计算速度,研究人员正在寻找能加速信息处理的方法。现在科学家们已经取得了进一步进展:发现了一类能应用于未来技术的新型材料。 

研究人员已经发现了一种量子效应:即能使电子这种负载使当今电子设备成为可能的粒子的负电荷以非常小的阻力通过这些材料内部。这是在对被称为“拓扑绝缘体”这种奇怪材料的研究中的最新发现,电子只从表面而非穿透其内部快速通过。最新研究表明,这些电子也能够流过其中一些材料的内部。 

该研究现象的发现者,普林斯顿大学物理学教授M. Zahid Hasan 表示,随着这一发现,我们不再面临着如何只在材料表面使用电子的挑战,而是可以切开材料并使像光一样的电子在材料内部的三维空间流淌。 

出版于5月7日《自然传播》的首篇论文表明,高速电子可以在镉和砷,镉或砷制成的晶体内部流动。随后于5月12日发表的第二篇论文则探索了铋和硒元素制成材料中的高速电子的现象。 

一万倍提速 

在包括铜和其他导电金属等的大多数材料中,电子能导航那些阻碍微小颗粒并使他们向错误方向散射的微观露头暗礁以及其他缺陷。这个过程产生了电阻并使电流转换成电热,这就是电子设备在使用过程中变热的原因。 

研究人员所研究的拓扑绝缘体和新型材料中,原子独特性质的结合使得电子表现出了类似光波现象而非粒子现象的量子效应。 

这些电子波能够相互交织和躲避甚至穿越通常能阻挡大多数电子的障碍。2005至2007年间由Charles Kane和宾大的一个研究团队提出这些理论特性,并于2007年至2008年间由Hasan 研究团队在固体材料实验中首次发现。 

2011年,Hasan研究团队在由铋,铊,硫和硒元素所合成的材料内部检测到了这种高速电子流。该研究团队在砷化镉的新研究中发现电子平均速度比之前以铋作为基础材料中的的电子平均速度高上一万倍。 

Hasan表示这项发现史无前例,这意味着电子在该材料内超易流动切我们现在可以研究以前无法想象的更多特殊量子效应。这些材料最具前景的应用可能是应用在最具热议的基于新型电子设备的“拓扑量子计算机”上。这种新型电子设备能利用电子具有的自旋性质进行计算和传递信息。

更胜石墨烯? 

这类新类材料的量子行为使得他们被称为“拓扑Dirac半金属”来纪念英国量子物理学家,1933年诺贝尔经济学奖得主Paul Dirac,是他提出了电子具有光波行为的理论。 

“拓扑”半金属是指那些即使在受某些拉伸或扭曲的情况下也能保留空间电子性质和其高速电子的半金属。 这些电子能达到的速度之快使得我们将这种半金属和另外一种新型电子材料石墨烯进行比较。这类新型材料具有在某些方面优于石墨烯的潜力,因为石墨烯只具有使得电子仅可在两维度内流过的单原子层,而砷化镉则使三维电子流成为可能。 

来自Hasan实验室的博士后研究助理Su-Yang Xu表示,这项新研究刷新了对拓扑材料的定义。他还是有关普林斯顿大学Madhab Neupane以及国立台湾大学Raman Sankar相关博士生研究的5月7日论文的共同第一作者。他表示“拓扑绝缘体”这一术语现在很流行,然而“绝缘体”义指在材料中没有电子流。而我们的研究表明,电子能在材料中流动,显而易见镉砷绝非绝缘体,但它仍然具有拓扑性质,因此可以肯定这是一种完全新型的量子物质。

“进行中的精彩”

该研究团队借助角分辨光电子能谱技术获得了这一发现。研究人员利用Lawrence Berkeley国家实验室中的先进光源粒子加速器将一束强力X射线束照射在材料表面,然后监控电子被提出内部时的情况。 

Neupane表示,当电子从内部出来时,我们衡量了它的能量和速度,结果发现我们所测的出自镉砷的电子类似于所见的无质量颗粒所表现出的现象。在第二篇论文中,Neupane和同事提出了控制硒化铋中电颗粒自旋方向的模型。 

未参与此次研究的MIT物理学教授Patrick Lee表示,该普林斯顿研究小组用细节展示了某些固体中的电子服从了三维无质量Dirac方程。虽然已从理论计算得到预测,但直到去年以前这种行为从未在任何实体材料中被观察到。这项工作极大激励了人们对拓扑将如何影响真材实料中的电子态的高度关注。 

来自普林斯顿大学,台湾国立清华大学,新加坡国立大学,东北大学和国立台湾大学的其他研究人员一起合著了5月7日论文。5月12日的论文包括了来自普林斯顿大学,宾夕法尼亚州立大学,柏林亥姆霍兹材料与能源中心,瑞典MAX实验室,台湾国立清华大学,台湾中央研究院,新加坡国立大学以及东北大学等的合作者。此外美国基础能源科学能源部门为这两项研究提供了鼎立支持。

英文报道: 
英文:NEW QUANTUM EFFECT LETS ELECTRONS WHIZ THROUGH MATERIALS 
http://www.jijitang.com/note/4987 

论文原文: 
《对三维拓扑Dirac半金属在高流动性Cd3As2中的相位观察》, 2014年5月发表于《Nature》 
http://www.jijitang.com/note/5041 

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