中科大后浪涛涛，22岁发Science，研究成果可创建新的量子材料

出品  光子盒研究院

2003年，拓扑量子计算作为一种容错的量子计算被正式提出，寻找潜在拓扑超导材料成为业内最炙手可热的话题。

2015年，中科院物理研究所以及普林斯顿大学的物理学家们在破坏空间反演对称性的固体材料TaAs中发现了外尔费米子，具有外尔费米子的固体材料则称为外尔半金属。

随着外尔半金属进入科学家们的视野，理论预言超导态下的外尔半金属有可能成为拓扑超导的候选材料。其中，与第一类外尔半金属相比，二类外尔半金属会表现出更显著的拓扑超导的性质。

MoTe2和WTe2是近年来被广泛研究的两种第二类外尔半金属，5月以来，Science杂志连续报道了这两种材料的最新研究进展。有意思的是，两篇文章的第一作者都毕业于中科大少年班。

其中，5月15日文章的第一作者季珠润，13岁考入中科大少年班，博士就读于宾夕法尼亚大学，今年22岁，是Science第一作者中最年轻的女性之一。

师兄妹齐发Science

2011年，季珠润考入中科大少年班时只有13岁，身高却超过了1米7。她来自北京，出身科研世家，但她放弃了父母所从事的生物、地球化学领域，选择了应用物理。

在科大期间，作为全班年纪倒数第二小的学生，季珠润却是少年班的副班长，也是创新科研项目小组的牵头人。2015年，季珠润去了美国宾夕法尼亚大学攻读应用物理博士学位。

季珠润

季珠润加入了材料科学与工程系教授Ritesh Agarwal的课题组。Agarwal于2001年获得加州大学伯克利物理化学博士学位。他的课题组积极参与开发新的实验技术，以探索纳米级材料的新特性，并开发新的电子、光学和能量转换装置。

Ritesh Agarwal

目前，季珠润的研究方向是半导体等离子体电子学。从2018年起，季珠润开始以作者身份出现在Nature、Science等国际顶级期刊上。

2019年7月，季珠润首次以第一作者身份在Nature杂志发表一篇题为“Spatially dispersive circular photogalvanic effect in a Weyl semimetal”的文章。该研究发现，外尔半金属是一类量子材料，具有体量子态，其电性能可用光控制。

作者们发现，在外尔半金属上进行实验时，所得到的结果与任何解释光激活时电场如何运动的理论都不匹配。电流不是单向流动，而是以旋转的圆形模式绕着半金属运动。

于是他们提出了一个新的理论框架，经过彻底的反复实验以消除所有其他可能的解释，研究人员能够将可能的解释缩小到与光束结构相关的单一理论。根据这个新的理论框架和他们对材料内部电子能级的理解，证实了电流的圆周运动。

如图所示外尔半金属片上多个电极的显微图像，红色和蓝色箭头描绘了由左（蓝色）或右圆偏振光（红色）引起的光感应电流的圆形运动。

由于这些结果，分别基于光子或电子自旋转移数字化信息的“光子”和“自旋”材料的未来发展也成为可能。Agarwal希望将这项工作扩展到包括其他光束模式，例如“扭曲光”，它可用于创建新的量子计算材料，允许将更多信息编码到单个光子上。

也是本文作者之一的著名拓扑物理学家Eugene Mele，2019年科学突破奖获得者，在采访中高度评价季珠润：“我很少见到一个研究生面临这样的挑战，她不仅能够胜任它，而且能够掌握它。”

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0421-5

时隔10个月后，22岁的季珠润又成为Science文章的第一作者，于2020年5月15日发表了一篇题为“Photocurrent detection of the orbital angular momentum of light”的文章。提出一种直接将涡旋光信号转化为电信号的方法。

作者们利用外尔半金属作为载体，发现光相位的空间变化可以引发受激发电子布居数的空间分布，进而产生以光心为原点“涡旋”的光电流。

涡旋光致电流的测量机制示意图

区别于其他光致电流效应，这种非线性光学过程不存在于平面波中，且其产生的非局域电流大小和流向直接对应于涡旋光的阶数，或波前的相位分布。季珠润将这一效应命名为“轨道光致电流效应”（orbital photogalvanic effect）。

此外他们还进一步测量了高阶庞加莱球上矢量涡旋光产生的电流，结果表明广义的涡旋光的轨道和自旋角动量可以同时被精确确定。作者们指出，若能将这种方法加以推广，有望通过单一电极阵列完成混合涡旋光的芯片上检测和信号分离。

高阶庞加莱球上广义涡旋光产生的OPGE电流

值得一提的是，国内湖南大学也参与了这项研究工作。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/368/6492/763

近期关于外尔半金属的研究，还有季珠润的同门师兄王武翟于5月1日发在Science杂志上发表的题为“Evidence for an edge supercurrent in the Weyl superconductor MoTe2”的文章。

王武翟也曾是中科大少年班的一员，15岁从安徽阜阳一中考入中科大09级少年班。毕业时荣获郭沫若奖学金，这是中科大本科生的最高荣誉。博士毕业于普林斯顿大学的Nai Phuan Ong组。

王武翟

他与导师的这项研究发现，MoTe2材料可以承载超导电流，而且超导电流被限制在其边缘流动，对拓扑超导的研究意义非凡。这意味着一条通向拓扑超导的途径，可能在未来的量子计算机中很有用。

超导性由图中的黑心表示，意为对电流没有阻力。锯齿状图案表示超电流的振荡，它随外加磁场的强度而变化。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/368/6490/534.abstract

新的量子计算材料

近年来，研究第二类外尔半金属尤其是WTe2（二碲化钨）已成为凝聚态物理的热点。仅在2018年，国内外就出现了多项关于WTe2的重要研究成果。

华盛顿大学的研究人员发现，WTe2的二维形式可以进行“铁电转换”。当两个单层结合在一起时，得到的“双层”会产生自发的电极化。通过施加的电场可以在两个相反的状态之间翻转该极化。这种具有铁电性能的材料可以应用于存储器，电容器，RFID卡技术甚至医疗传感器。

二维金属的铁电转换 

而在华盛顿大学此前的报告中，他们发现单层WTe2也是一种“拓扑绝缘体”，是具有这种奇特性质的第一种二维材料。而在拓扑绝缘体中，电子的波函数具有一种内置的扭曲。由于难以消除这种扭曲，拓扑绝缘体可以应用于量子计算。

此外，麻省理工学院的研究人员则利用四探针测量技术，对基于氮化硼夹持的WTe2制成的晶体管在特定条件下（外加磁场，电压和低温）的电学特性进行了研究，发现这种二维材料晶体管既具有拓扑绝缘性，也具有超导性。

该研究报告对二维拓扑绝缘体的经典物理现象——量子自旋霍尔效应进行了阐述。这种量子自旋霍尔效应在约100开尔文时仍能存在，对于应用来说是非常重要的。

这项工作对在拓扑绝缘和超导材料的界面上实现马约拉纳模态和提升量子计算设备性能等均有重要意义。

同时，国内南京大学对第二类外尔半金属的研究也取得了重要进展。其中，缪峰课题组首次实验实现了近邻效应诱导的WTe2的超导，在其超导态下观察到了反常的亚带隙输运特征。

李绍春课题组借助高分辨扫描隧道显微镜和准粒子干涉技术，精确表征了单层1T’-WTe2的能带结构，确定其为半金属型能带，解决了一直以来存在的争议。他们在费米面附近观察到一个独特的能隙，它是由于电子-电子相互作用而打开的库仑能隙。库仑能隙的打开可以有效地抑制WTe2体电导的干扰，导致低温下的绝缘性行为。

紧接着，2019年7月，季珠润、Agarwal等人发现了上文所说的现象，在外尔半金属上进行实验时，电流不是单向流动，而是以旋转的圆形模式绕着半金属运动。他们认为，这种材料有望应用于创建新的量子计算材料。

而前几天的研究成果，是宾夕法尼亚大学Agarwal课题组和冯亮课题组合作的成果。同日在Science上还有一篇题为“Tunable topological charge vortex microlaser”的文章，由冯亮课题组所作，第一作者叫张智峰。

冯亮和Agarwal教授课题组分别主导完成了可调控涡旋激光器和涡旋光探测器，首次在光子芯片上实现了可调控涡旋激光的产生和探测。

可调控涡旋激光器示意图

不同于自旋角动量只有两个状态，涡旋光的轨道角动量理论上具有无限的状态范围。特别是其可以作为载波进行多路复用。因此在光通信，数据中心链接等有着广泛的应用前景。

作者们认为，这两项研究展示的光量子芯片集成可调涡旋激光和涡旋光探测器，将大大推进涡旋光作为信息载体的集成化和实用化进程，进一步发展大容量光电通信科技。

那么，新型材料距离应用于量子信息领域还有多远？

虽然量子计算领域的应用前景仍不明朗。但是在2018年，Agarwal和冯亮团队就接受了美国国家科学基金会的资助，利用先进的纳米光子技术推进量子通信。

Agarwal和冯亮

冯亮的团队生产了第一个用于扭曲光子的片上光源，Agarwal的团队生产了第一个用于片上扭曲光子的探测器。冯亮认为他们的团队将是第一个能够基于从源端到探测器端的片内扭曲光子生产集成量子系统的团队，并成为第一个为量子通信和信息处理提供此产品的公司。

该团队已经开发出新的集成量子光子平台，该平台遵循扭曲模式，实现了一种高度可扩展的技术，允许发送、接收和处理大量信息。

Agarwal表示，通过单光子发送数据大大提高了脉冲发送信息的安全性。“如果有人在一个脉冲中发送数百万个光子，而一个黑客窃取了20个，你可能不会注意到，但是如果我通过单光子脉冲向你发送信息，你肯定会知道是否有人试图破解。我们单光子脉冲上的扭曲可以帮助达到量子通信的终极安全。”

事实上，关于第二类外尔半金属的研究还有很多，因为在当今凝聚态物理研究领域，第二类外尔半金属就是其中不得不提的一个关键。第二类外尔半金属能带中的拓扑性质引发的独特光学、电学和磁学特性与传统材料截然不同。

因此，第二类外尔半金属在凝聚态物理，尤其是量子力学和高温超导领域前景远大，是未来有可能引发新一轮材料革命的关键领域之一。

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。