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《美国麻省理工学院利用超导量子处理器模拟合成电磁场，有望推动新型半导体、绝缘体和超导体的发现。》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2024-11-14

  • 转自全球技术地图

    据MIT Technology Review 11月9日消息，美国麻省理工学院（MIT）研究人员利用超导量子处理器模拟合成电磁场，有望推动新型半导体、绝缘体和超导体的发现。对于涉及磁场和电子行为的现象，难以通过量子计算机直接模拟。MIT的研究人员利用超导量子处理器生成合成的电磁场。研究人员通过精确控制量子比特之间的耦合，成功模拟了电子在电磁场中原子之间的运动。该技术通过微调每个量子比特的能量，动态调整它们之间的相互作用，从而模拟出类似于磁场作用下电子行为的现象。通过该技术研究人员可以在量子计算机中模拟各种材料的行为，为材料科学和凝聚态物理领域提供新的研究工具。该工作得到了美国能源部、美国国防高级研究计划局（DARPA）、美国陆军研究办公室和NASA等机构的支持。相关研究成果发表在《Nature Physics》期刊。

  • 原文来源：https://www.mittrchina.com/news/detail/14009
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相关报告

  • 《探索 | 麻省理工学院量子计算机首次模拟复杂的电磁场》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：胡思思
    • 发布时间：2024-11-11
    • 麻省理工学院的研究人员开发了一种由 16 个量子比特组成的超导量子处理器，他们可以用它来产生合成电磁场，使他们能够探索材料的特性。通过在超导量子计算机上模拟磁场，研究人员可以探索材料的复杂特性。 量子计算机具有模拟复杂材料的潜力，使研究人员能够更深入地了解原子和电子之间相互作用产生的物理特性。有朝一日，这可能会带来更好的半导体、绝缘体或超导体的发现或设计，这些半导体、绝缘体或超导体可用于制造更快、更强大、更节能的电子产品。 但是，使用量子计算机来模拟材料中出现的一些现象可能具有挑战性，这给科学家们使用量子硬件探索的问题留下了空白。 为了填补其中一个空白，麻省理工学院的研究人员开发了一种在超导量子处理器上产生合成电磁场的技术。该团队在包含 16 个量子比特的处理器上演示了该技术。 通过动态控制处理器中 16 个量子比特的相互耦合方式，研究人员能够模拟电子在存在电磁场的情况下如何在原子之间移动。此外，合成电磁场是广泛可调的，使科学家能够探索一系列材料特性。 模拟电磁场对于充分探索材料的特性至关重要。未来，这项技术可以揭示电子系统的关键特性，例如导电性、极化和磁化。 “量子计算机是研究材料和其他量子力学系统物理学的强大工具。我们的工作使我们能够模拟更多吸引材料科学家的丰富物理学，“麻省理工学院博士后、量子模拟器论文的主要作者 Ilan Rosen 说。 本文的资深作者是 William D. Oliver，他是电气工程和计算机科学以及物理学的 Henry Ellis Warren 教授、量子工程中心主任、工程量子系统小组的负责人和电子研究实验室的副主任。Oliver 和 Rosen 与电气工程和计算机科学系、物理系以及麻省理工学院林肯实验室的其他人一起工作。这项研究最近发表在《自然物理学》上。 量子模拟器 IBM 和 Google 等公司正在努力构建大规模数字量子计算机，这些计算机有望通过以更快的速度运行某些算法来超越经典计算机。 但这并不是量子计算机能做的全部。量子比特及其耦合的动力学也可以仔细构建，以模拟电子在固体原子之间移动时的行为。“这导致了一个明显的应用，即使用这些超导量子计算机作为材料的模拟器，”麻省理工学院的研究科学家、该论文的合著者 Jeffrey Grover 说。 研究人员无需尝试构建大规模数字量子计算机来解决极其复杂的问题，而是可以将较小规模量子计算机中的量子比特用作模拟设备，在受控环境中复制材料系统。“通用数字量子模拟器前景广阔，但距离开发目标还有很长的路要走。模拟仿真是另一种可能在短期内产生有用结果的方法，特别是对于研究材料。它是量子硬件的一个简单而强大的应用程序，“Rosen 解释说。“使用模拟量子仿真器，我可以有意识地设置一个起点，然后观察随时间展开的内容。” 尽管它们与材料非常相似，但材料中的一些重要成分不能轻易反映在量子计算硬件上。其中一种成分是磁场。在材料中，电子“生活在”原子轨道中。当两个原子彼此靠近时，它们的轨道会重叠，电子可以从一个原子“跳跃”到另一个原子。在磁场存在的情况下，这种跳跃行为变得更加复杂。 在超导量子计算机上，量子比特之间跳跃的微波光子用于模拟原子之间跳跃的电子。但是，由于光子不像电子那样是带电粒子，因此光子的跳跃行为在物理磁场中将保持不变。 由于他们不能只在模拟器中打开磁场，因此 MIT 团队采用了一些技巧来合成磁场的效果。 调整处理器 研究人员调整了处理器中相邻量子比特的相互耦合方式，以产生与电磁场在电子中引起的相同复杂跳跃行为。 为此，他们通过应用不同的微波信号来略微改变每个量子比特的能量。通常，研究人员会将量子比特设置为相同的能量，以便光子可以从一个量子比特跳到另一个量子比特。但对于这种技术，它们会动态改变每个量子比特的能量，以改变它们之间的通信方式。 通过精确调制这些能级，研究人员使光子能够以与电子在磁场中的原子之间跳跃相同的复杂方式在量子比特之间跳跃。 此外，由于它们可以微调微波信号，因此可以模拟一系列具有不同强度和分布的电磁场。 研究人员进行了几轮实验，以确定为每个量子比特设置什么能量、调制它们的强度以及要使用的微波频率。“最具挑战性的部分是找到每个量子比特的调制设置，以便所有 16 个量子比特同时工作，”Rosen 说。 一旦他们找到了正确的设置，他们就证实了光子的动力学支持构成电磁学基础的几个方程。他们还演示了“霍尔效应”，这是一种存在于电磁场下的传导现象。 这些结果表明，他们的合成电磁场表现得像真实的东西。 展望未来，他们可以使用这项技术来精确研究凝聚态物理学中的复杂现象，例如当材料从导体变为绝缘体时发生的相变。“我们的仿真器的一个很好的功能是，我们只需要更改调制幅度或频率即可模拟不同的材料系统。通过这种方式，我们可以扫描许多材料属性或模型参数，而无需每次都物理制造新设备，“Oliver 说。Rosen 说，虽然这项工作是合成电磁场的初步演示，但它为许多潜在发现打开了大门。 “量子计算机的美妙之处在于，我们可以准确地查看每个量子比特上每时每刻发生的事情，因此我们可以利用所有这些信息。我们正处于一个非常令人兴奋的未来，“他补充道。
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  • 《物理学新发现！石墨烯具有绝缘体和超导体的特性》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-03-12
    • 当以“魔角（当两层石墨烯片以 1.1 度堆叠时，会使得石墨烯片具有完全相反的特性）”旋转时，石墨烯片可以形成绝缘体或超导体。 来源：麻省理工 麻省理工学院和哈佛大学的物理学家们发现，一种像蜂窝状的碳原子薄片--石墨烯，可以在两个极端的电极间表现出两种特性:一是可以作为绝缘体，从而使得电子完全不能流动;另外一个则是作为超导体，电流可以无电阻的流动。的研究人员 很难相信，单一物质也可以用石墨烯那样的最高级来描述。 2004年以来，科学家们发现，花边，类似蜂窝状的碳原子片（基本上是你可以想象的铅笔铅的最微观的表征），这不仅是世界上最薄的材料，且质量轻、活度大，强度是钢铁材料的几百倍，导电能力也远超于铜材料。 近期麻省理工学院和哈佛大学的物理学家发现这种“超级”材料，其居然可以具有更加令人难以置信的导电能力。 在Nature上今天发表在的两篇论文中，研究小组报告说，它可以调整石墨烯为在两个极端点的行为：一可以有效阻止电子运动，这样可以成为一个绝缘体；二可以是电子运动阻力降低到最小，这样便成为一种超导体。 该研究团队曾经的研究人员已经能够通过将石墨烯材料与其他超导金属接触来合成石墨烯超导体，从而可以使得石墨烯具有超导特性。该团队这次发现了一种独立完成石墨烯超导材料的制作方法，这表明超导性可以作为碳基材料的一种内在固有属性。 物理学家们通过创建两个不精确地相互叠在一起的石墨烯薄片来实现这一点，以1.1度的“魔角”旋转。 结果，非常奇怪的是，这种重叠形成的六边形蜂窝模式略有偏移，创造一个精确的摩尔结构，预计会导致石墨烯片中电子之间出现奇怪的“强相关的相互作用”。在任何其他堆叠结构中，石墨烯倾向于保持不同，很少以电子方式或以其他方式与相邻层进行交互。 以Pablo Jarillo Herrero为首的一个麻省理工大学的副教授，发现在魔角旋转时，两片石墨烯具有不导电的行为，类似于莫特绝缘体。当研究人员施加电压，向石墨烯超晶格中添加少量电子时，他们发现，在一定的水平上，电子从最初的绝缘状态破裂，没有电阻，就像通过超导体一样。 Jarillo-Herrero说“现在我们可以利用石墨烯来作为一个新的突破传统超导性材料的平台，你可以发挥你的想象，利用石墨烯制作一个可控制的超导晶体管，通过转换开关，使其有超导变为绝缘体，这为量子器件提供了许多可能性。“ 30年的能隙 材料的导电能力通常以能带表示， 单一波段表示材料电子可以具有的一系列能量。 能带之间有很多能隙，当一个能量带饱和后，下一个电子必须具有更大的能量来克服这种阻力，来占据下一个能量带。 如果最后一个能量带完全充满着电子，那么这个材料就被认为是绝缘体，另一方面，比如一些像金属之类的导体就会有空余的能量带，这些空余的能量带就可以保证其他电子可以通过这里进行移动。 然而， 莫特绝缘体（Mott insulators）是从它们的能带结构表现出导电特性的一类材料，但是当测量其导电特性时，结果表明其为绝缘体。 也就是说，这种材料的能带处于半饱和状态，由于电子之间的强烈的静电相互作用（例如等号相互排斥的电荷），材料不导电。 半填充带基本上分裂成一个电子饱和，另一个空位饱和的两个微小的几乎平坦的带，从而表现为绝缘体。 Jarillo-Herrero解释说：“这就意味着所有的电子都受到一定的阻力，所以由于电子之间的这种很强的相互作用导致它成为绝缘体。任何电子都不能够克服这种阻力。而为什么莫特绝缘体这么重要呢？这表明大多数的高温超导体的母体化合物都是莫特绝缘体。” 换句话说，科学家们已经发现了控制电子特性的方法。莫特绝缘体在相对高温的情况下可以转变为超导体，为了证明这一理论假设，他们用氧气对材料进行化学“掺杂”，其原子将电子从莫特绝缘体中吸引出来，为剩余电子流动留下更多空间。 当添加足够的氧气时，绝缘体变成超导体。 Jarillo-Herrero说，这种转变究竟如何发生，已经是一个30年的谜团。 Jarillo-Herrero说：“这是一个三十年来从未解决的问题，这些高温超导体在研究过程中已经超过了它们的使用寿命，这些材料展现了很多有趣的行为，但是我们仍然不知道如何解释这些现象。” 准确的转动 Jarillo-Herrero和他的同事寻找了一个更简单的平台来研究这种非常规物理学。 在研究石墨烯的电子属性时，团队开始玩弄简单的石墨烯片堆栈。 研究人员首先通过从石墨中剥离单片石墨烯，然后小心地用涂有粘性聚合物和氮化硼绝缘材料的载玻片小心地拾取一半薄片，从而制成了两片超晶格。 然后他们轻轻地转动玻璃片，拿起了石墨薄片的第二部分，贴在前半部分上。这样，他们创造了一个超晶格的偏移图案，这是截然不同的石墨烯的原始蜂窝晶格。 该小组重复了这个实验，创造了几个“装置”，或者石墨烯超晶格，具有不同的旋转角度，在0度到3度之间。他们将电极连接到每一个器件上，测量电流通过，然后绘制出器件的电阻，给定电流通过的数量。 Jarillo Herrero说：“如果你旋转的角度是0.2度，这些物理现象都不会出现。也就没有超导或莫特绝缘体，所以旋转的角度一定要精准。 研究人员发现旋转角为1.1度时被称为一个“魔角”，石墨烯超晶格电子类似扁平带结构，类似于莫特绝缘体，其中所有的电子无论其动量如何都会携带相同的能量。 jarillo-herrero说：“想象一下汽车的动量是质量乘以速度，如果你以每小时30英里的速度行驶，你会有一定量的动能。如果你以每小时60英里的速度开车，你的能量就会更高，如果你撞车了，你就可以变形一个大得多的物体。这是说，不管你走的是30还是60或100英里每小时，它们都有相同的能量。” 自由导电 对于电子来说这意味着尽管他们正占据着一个半饱和的能量带，其中一个电子不具有更大的能量使其自己移动到下一个能量带，因此尽管这种半饱和的能量带结构理论上应该展现出一个导体的特性，但是它成为了绝缘体，更准确的说是莫特绝缘体。 这就给这个团队一个想法：“如果他们能将电子加入到这些类似于莫特超级晶格中，类似于科学家们如何将其掺杂在一起，使其变成超导体？石墨烯是否会反过来成为超导特性呢？ 为了验证这种假设，他们在“魔角石墨烯超晶格”上施加了一个小的门电压，在结构上增加了少量的电子。结果表明， 单个的电子与石墨烯的其他电子结合在一起，使它们能够在不可能的地方流动。在整个过程中，研究人员继续测量材料的电阻，发现当他们增加了一定数量的电子时，电流就会流动而不会消耗能量——就像超导体一样。 jarillo-herrero说：“你可以让电子在不损失任何能量的情况下自由流动，这表明石墨烯可以是超导体，也许更重要的是，他说研究人员能够将石墨烯作为绝缘体或超导体进行调节，并且在任何一个阶段，在一个设备中展示所有这些不同的特性。这与其他的方法形成了鲜明的对比，在这种方法中，科学家们不得不种植和操纵数百种不同的晶体，每一种晶体都可以在一个电子相中表现。 Jarillo-herrero说：“通常，你必须利用不同级别的材料来测试其不同相的情况。我们在一台纯碳设备中一次就地完成了这一工作。我们可以在一个设备中以电的方式探索所有这些物理，而不必制造数百个设备。那并不会变得更简单。”这项研究得到了Gordon和Betty Moore基金会以及其他国家科学基金会的支持。 文章来自news.mit网站，原文题目为Insulator or superconductor? Physicists find graphene is both，由材料科技在线汇总整理。 .
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