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新设备使科学家更接近量子材料的突破 精选

已有 3851 次阅读 2022-6-19 21:22 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯

新设备使科学家更接近量子材料的突破

诸平

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Wei Bao, Nebraska assistant professor of electrical and computer engineering. Credit: University of Nebraska-Lincoln

据美国内布拉斯加大学林肯分校(University of Nebraska-Lincoln2022617日提供的消息,内布拉斯加大学林肯分校(University of Nebraska Lincoln)和美国加州大学伯克利分校(University of CaliforniaBerkeley)的研究人员开发了一种新的光子器件,可以让科学家更接近于在室温下找到数学公式的全球最小值这一“圣杯(holy grail)”。发现这个虚幻的数学值将是一个重大的进步,为涉及量子材料的模拟打开新的选项。

内布拉斯加大学林肯分校电气和计算机工程助理教授鲍伟(Wei Bao音译)表示,许多科学问题在很大程度上取决于能否找到数学值。即使是对现代计算机来说,这种搜索也是一项挑战,尤其是当量子物理中常用的参数的维数非常大时。

到目前为止,研究人员只能在极低温度(接近-270 ℃)下使用极化声子优化设备(polariton optimization devices)来实现这一点。鲍伟说,内布拉斯加-加州大学伯克利分校(Nebraska-UC Berkeley)的团队,“已经找到了一种在室温下结合光和物质优势的方法,适合这一重大优化挑战。”

这些设备使用量子半光半物质准粒子(quantum half-light and half-matter quasi-particles),即激子极化子(exciton-polaritons),它最近作为一个固态模拟光子模拟平台出现,用于量子物理,如玻色-爱因斯坦凝聚和复杂XY自旋模型。

鲍伟说:“我们的突破是通过采用溶液生长的卤化物钙钛矿(halide perovskite,一种著名的太阳能电池材料),并在纳米限制(nanoconfinement)下进行生长实现的。这将产生非常光滑的单晶大晶体,具有极好的光学均匀性,以前在室温下从未报道过极化激子系统(polariton system)。”相关研究结果于202269日已经在《自然材料》(Nature Materials)杂志网站发表——Renjie TaoKai PengLouis HaeberléQuanwei LiDafei JinGraham R. FlemingStéphane Kéna-CohenXiang ZhangWei Bao. Halide perovskites enable polaritonic XY spin Hamiltonian at room temperature. Nature MaterialsPublished: 09 June 2022. DOI: 10.1038/s41563-022-01276-4. https://www.nature.com/articles/s41563-022-01276-4.

鲍伟是此论文的通讯作者,参与此项研究的除了来自内布拉斯加大学林肯分校和美国加州大学伯克利分校的研究人员之外,还有来自美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory, Lemont, IL, USA)、中国香港大学(University of Hong Kong, China)以及加拿大魁北克的蒙特利尔理工学院(école Polytechnique de Montréal, Quebec, Canada)的研究人员。

鲍伟的合作者张翔 (Xiang Zhang音译)说:“这是令人兴奋的。我们展示了具有大量相干耦合凝聚体的XY自旋晶格,可以构建为一个尺寸高达10×10的晶格。”张翔现在是香港大学校长,但在加州大学伯克利分校担任机械工程教员时完成了这项研究。

它的材料特性(material properties)也可以使未来的研究在室温而不是超冷温度下进行。鲍伟说:“我们刚刚开始探索室温系统解决复杂问题的潜力。我们的工作是朝着长期寻求的室温固态量子模拟平台迈出的具体一步。

“我们报道的溶液合成方法对大型超均质卤化物钙钛矿具有出色的厚度控制,可以在室温下进行许多有趣的研究,而不需要复杂和昂贵的设备和材料,”鲍伟补充说。这也为模拟大型计算方法和许多其他设备应用打开了大门,以前在室温下无法实现。

在竞争激烈的量子技术时代,这一过程至关重要,量子技术有望改变信息处理、传感、通信、成像等领域。

内布拉斯加大学林肯分校将量子科学和工程列为重大挑战之一。它被命名为研究重点,因为以该大学在这一领域的专业知识,可以对这一令人兴奋和有前途的领域作出有影响的研究。

此项研究得到了美国海军研究办公室(Office of Naval Researchaward no. N00014-21-1-2099)、陆军研究办公室(Army Research Office: W911NF1810149)、美国国家科学基金会(National Science Foundation: award no. OIA-2044049award no. DMR-2143041)、戈登和贝蒂·摩尔基金会(Gordon and Betty Moore Foundation: award no. 5722)以及加拿大研究主席项目(Canada Research Chairs programme)的资助。

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道(New device gets scientists closer to quantum materials breakthrough)。

Improving quantum sensors by measuring the orientation of coherent spins inside a diamond lattice

Abstract

Exciton polaritons, the part-light and part-matter quasiparticles in semiconductor optical cavities, are promising for exploring Bose–Einstein condensation, non-equilibrium many-body physics and analogue simulation at elevated temperatures. However, a room-temperature polaritonic platform on par with the GaAs quantum wells grown by molecular beam epitaxy at low temperatures remains elusive. The operation of such a platform calls for long-lifetime, strongly interacting excitons in a stringent material system with large yet nanoscale-thin geometry and homogeneous properties. Here, we address this challenge by adopting a method based on the solution synthesis of excitonic halide perovskites grown under nanoconfinement. Such nanoconfinement growth facilitates the synthesis of smooth and homogeneous single-crystalline large crystals enabling the demonstration of XY Hamiltonian lattices with sizes up to 10 × 10. With this demonstration, we further establish perovskites as a promising platform for room temperature polaritonic physics and pave the way for the realization of robust mode-disorder-free polaritonic devices at room temperature.



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