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《美国能源部阿贡国家实验室建造了阿贡量子铸造厂》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： 李衍
  • 发布时间：2023-05-19
  • 据newswise网报道，4月19日美国能源部阿贡国家实验室剪彩庆祝阿贡量子铸造厂的建立，作为其加速量子信息科学进步任务的一部分。该铸造厂是美国中西部独一无二的量子研究材料和数据的国家来源。与会者参观了6000平方英尺的研究设施。

    阿贡量子铸造厂是阿贡国家实验室量子计划的关键部分，由Q-NEXT牵头创建，Q-NEXT是美国能源部国家量子信息科学研究中心，位于阿贡，成立于2020年。该铸造厂的建立和运营是Q-NEXT的主要组成部分，并使其成为量子研究中心。Q-NEXT任务的一部分是向研究人员提供量子材料，以满足量子信息研究的关键需求。


  • 原文来源：https://www.newswise.com/doescience/new-foundry-to-accelerate-quantum-information-research-at-argonne-national-laboratory/?article_id=790938
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    • 编译者：魏韧
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    • 2020年7月22日，在美国能源部（DOE）的阿贡国家实验室举行的社交仪式上，来自美国能源部，阿贡和芝加哥大学的领导人为美国X射线科学的未来奠基。 该大楼将容纳新的原位纳米探针和高能X射线显微镜两条光束线，将APS产生的超亮X射线传输到先进的科学仪器。 原位纳米探针（ISN），这条250米的束线专门设计用于紧密聚焦的原位成像。光束可以聚焦到20纳米，并且在光学器件和样品之间提供了足够的空间，改变样品的环境（可通过温度、压力和其他方法），并以极高的分辨率跟踪这些变化产生的影响。ISN的应用之一是更精确地揭示电池内部的电化学反应，有望在延长电池寿命方面取得突破。 高能X射线显微镜（HEXM），为使高能X射线能穿透更厚的材料而设计。这条180米的光束线将能量与更高的聚焦能力结合，使科学家能够更精确地绘制材料的成分图。同时HEXM具备原位测量潜力，将成为材料科学和工程应用的目标光束，应用之一是进行飞机发动机叶片压力测试，查看其材料形成裂纹的位置，并了解如何防止裂纹产生。 该大楼将耗资8.15亿美元，建设计划于今年秋天开始，2022年中竣工，预计2023年下半年开始APS升级。 APS本质上是像体育场一样大的X射线显微镜，每年吸引全球5000多名科学家，开展从化学到生命科学到材料科学到地质学等诸多领域的研究。升级过程将用最先进的磁体晶格系统取代电子存储环，使产生的X射线的亮度提高500倍，还将围绕现有的存储环建造九条新的光束线。 APS升级不仅是令人兴奋的科学项目，对于确保阿贡国家实验室和美国继续保持在X射线科学领域的世界领先地位至关重要。这两条新的光束线将用于开发对抗病毒性流行病的节能耐用的材料和工具。它们比目前APS上的光束线长大约三倍，使光子从源头进一步传播到分析的样品上，该距离允许聚焦更多的X射线束，科学家可以实时观察最小的计算机芯片内部最细微的结构。 新设施还具有强大的原位成像功能，这意味着科学家们在改变周围环境的同时观察样品，可以精确测量温度、压力和其他因素对先进材料的影响，朝着创造可用于从飞机发动机到太阳能电池的下一代部件迈出的重要一步。 APS向美国和世界各地的科学家创造最先进、最全面的设施，将改变整个X射线科学的格局。对于APS的用户来说，这些升级将彻底改变探索科学边界的能力和视野，长束线大楼为提供了充分利用升级功能的条件。
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  • 《美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和北伊利诺伊大学的研究人员发现新型光诱导材料显示出巨大的量子应用潜力》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2024-10-17
    • 近日，来自阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）和北伊利诺伊大学（Northern Illinois University）的研究人员开发了一种利用光检测和控制钙钛矿材料中电子自旋的方法，这可能会推动量子传感器和量子计算机等量子技术应用的发展。通过将钕元素引入钙钛矿材料中，科学家们延长了激子（excitons）的寿命，并使用钕作为探针来观察和控制电子自旋，这一进展可能会促使新型量子设备的出现。这项研究提供了一种很有前途的方法来创造出能够纠缠多个电子自旋的材料，从而有可能为量子计算提供更高效的量子比特材料。 许多科学家正在研究不同的材料，以探索它们在量子技术中的潜在用途。这些材料中的原子一个重要特征称为自旋。科学家们希望控制原子自旋以开发新型材料，称为自旋电子学。新材料可用于进行超精密测量等先进技术的存储设备和量子传感器。 在最近的一项突破中，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和北伊利诺伊大学的研究人员发现，他们可以使用光来检测一类称为钙钛矿（具体来说，在这项研究中是甲基铵铅碘化物，或称MAPbI3）的材料中的自旋状态。钙钛矿有许多潜在用途，从太阳能电池板到量子技术。 要理解自旋，可以想象电子围绕原子核运动。当原子紧密排列时，它们可以共享一些外层电子，从而在它们之间形成化学键。每个化学键都包含两个“配对”的电子，这意味着它们共享一个轨道——即它们移动的路径。 现在，这些成对电子中的每一个都具有两种可能的自旋状态：自旋上升或自旋下降。如果一个电子是自旋向上的，另一个就是自旋向下的。由于我们不能在不观察它们的情况下确切知道哪个电子具有哪种自旋，因此我们说它们处于量子叠加态——在被观察到之前，它们既是自旋向上又是自旋向下的状态。 “通过将钕元素的浓度调节到激子的浓度，我们最终可以使用钕作为一种探针来探测激子中的自旋。”— Saw Wai Hla，阿贡物理学家 这与量子计算中使用的概念相同。量子比特，或称量子位，可以同时表示0和1，这与只能表示0或1的经典比特不同。这使得量子计算机在某些方面比传统计算机强大得多。 识别和控制电子自旋是制造计算机和传感器等量子设备的关键。 在实验中，研究人员使用光来激发钙钛矿材料中两个成对电子中的一个。这导致电子跃迁到更高的能级，这样在较低能级中就留下一个“空洞”。这种由一个被激发的电子和一个“空洞”组成的配对称为激子。 激子是在光能被转换成电势能时形成的。通常，激子不会持续很长时间，因为被激发的电子最终会落回“空洞”中，这个过程称为复合，会释放光。在MAPbI3中，这样的激子通常只持续几十纳秒。 由北伊利诺伊大学教授TaoXu领导的研究小组发现了一种可以将激子寿命延长十倍以上的方法。他们通过在材料中添加一种叫做钕的稀土金属来实现这一点。钕原子的外层轨道上具有未配对的电子，这使其成为与激子电子相互作用的最佳“候选人”。 在激子中被提升到更高轨道的电子最终也会部分占据钕原子中的一条轨道。这与钕原子中的局域自旋形成了一个自旋纠缠态。钕原子中的纠缠电子仍然与其在钙钛矿中的伴侣电子相连。即使它们处于不同的轨道，它们仍然可以相互“交流”，这为科学家们提供了有关该材料可用于量子传感的相关信息。 “我们可以使用钕作为探针来观察激子中的自旋，“该研究的合著者、阿贡国家实验室的物理学家Saw Wai Hla说。 “要点是，我们可以通过激子中的各个电子与钕原子的相互作用来与它们进行通信。这很令人兴奋，因为通常这些电子只会衰变并释放光，“另一位合著者、阿贡国家纳米实验室的科学家Benjamin Diroll说。 据TaoXu教授介绍，钕在相对较低的磁场下可以作为量子传感器工作。但如果磁场太强，钕中的自旋就会被锁定，与激子的连接就会中断。 “令人兴奋的是，通过调整钕的浓度，我们可以检测到激子的自旋。这可能使我们能够纠缠多达 10 个电子自旋，这将是一种非常有趣的可以用于量子计算机制造的特殊材料。”TaoXu教授说。 如果没有阿贡国家实验室提供的许多先进的科学技术，这项研究是不可能进行的。研究人员广泛使用了阿贡国家实验室的纳米级材料研究中心（CNM），这是美国能源部科学办公室的科研设施。在CNM中，Hla 和 Kyaw Zin Latt 进行了扫描隧道显微镜测量。此外，Christopher Fry进行了电子顺磁共振测量，Yuzi Liu 进行了透射电子显微镜研究，John Pearson 进行了磁性测量，Diroll 进行了光致发光光谱研究。最后，Richard Schaller 对实验结果进行了解读，并对电子纠缠态作出进一步的阐述。 此外，阿贡国家实验室材料科学部的Taewoo Kim 和 Justin G. Connell 为对紫外光电子能谱研究做出了贡献，而来自阿贡国家实验室化学科学与工程部的 Zhenzhen Yang 进行了 X 射线光电子能谱和扫描电子显微镜研究。 基于该研究的一篇文章发表在《Nature Communications》上。该研究由美国能源部基础能源科学办公室和美国国家科学基金会资助。
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