芝加哥普利兹克团队开发全新量子材料

光子盒研究院出品

逐层材料工程使界面超导性和量子反常霍尔效应等奇异的量子现象成为可能。同时，由于难以理解磁性拓扑绝缘子中拓扑电子态的层起源，逐层破译电子态仍然是一个基本的科学挑战，这也是理解和控制拓扑量子相的关键。

近日，芝加哥大学普利兹克分子工程学院研究人员开发了一种新工具用于帮助解释设计材料中的电子态起源，这意味着利用材料用于未来量子技术的应用又迈进一步。该工具将帮助研究人员更好地了解磁性拓扑绝缘体，具有特殊表面特征的材料可以使它们成为量子信息科学技术不可或缺的一部分。

该成果于3月23日发表于自然物理学（《通过频域光电发射逐层分离布洛赫态》）。

了解分层材料很重要，如今许多材料科学家在逐层过程中在原子级别设计和创建材料——将两种或多种材料组合在一起为未来的技术创造具有新特性的材料。

通过一种称为层编码频域光电发射的技术，研究人员将两个激光脉冲发送到层状材料中。由此产生的振动，再加上能量的测量，使研究人员能够拼凑出一部“电影”，展示电子如何在每一层中移动。

“在我们的日常生活中，当我们想要更好地了解一种材料时——了解它的成分或者它是否是空心的——我们会敲它，”论文作者杨硕龙教授说。“这是微观层面的类似方法。我们的新技术使我们能够‘敲击和聆听’分层材料，它让我们能够证明一种特定的磁性拓扑绝缘体的工作方式与理论预测的不同。”

当研究团队通过将磁性材料与非磁性材料结合来制造双层磁性拓扑绝缘体（MnBi2Te4）（Bi2Te3）时，他们开发了一种具有奇异量子特性的材料。电子在表面周边移动，同时保持其能量和量子特性。在未来的量子计算机中，这种超电流可能会被用于传输存储在量子比特中的信息。

由于这些层非常薄——大约几纳米——传统的材料表征工具，如光谱学，无法区分这些层。虽然理想情况下，电子应该在磁性材料的表面周围移动，但其他小组之前进行的实验表明，也许它们会在非磁性材料周围移动。

实验团队使用一个在磁性拓扑绝缘子（MnBi2Te4）（Bi2Te3）上的层编码频域ARPES实验来表征电子态的层起源。为了了解两个不同层中发生的情况，新工具首先发出飞秒（或千万亿分之一秒）红外脉冲。这个短脉冲导致层根据它们的成分不同地振动。然后，研究人员发出第二个紫外激光脉冲，可以测量材料中电子的能量和动量。这两个测量一起可以记录电子随时间的运动。

“它本质上是一部飞秒时间尺度的电影，”杨教授说。“它让我们能够分辨出哪些电子来自哪一层。”

当研究人员将该技术应用于材料（MnBi2Te4）（Bi2Te3）时，他们发现特殊的电子态不在磁性层中，这与理论预测背道而驰。但由于如果这种超电流位于磁性层内，材料的量子特性将得到显着改善，因此杨和他的团队激励整个研究界重新回到绘图板重新设计材料。

研究人员称，这项技术还可以用来更好地理解其他特殊材料，例如拓扑超导体和所谓的双电子学，即以某种方式倾斜在一起以产生不同电子行为的层状材料。

“当你为未来的应用创造新材料时，重要的是你在合成和表征之间有一个反馈回路，”杨教授说。“这将指导下一次合成迭代，并将帮助我们填补技术空白。”

图1 （MnBi2Te4）（Bi2Te3）超晶格的实验方案和电子能带结构。

图2 TSS对Bi2Te3端子上声子振荡的相干响应。

图3 MnBi2Te4终止时的相干响应。

图4 Bloch态的逐层解纠缠方案。

参考链接：

[1]https://www.hpcwire.com/off-the-wire/new-tool-disentangles-electronic-states-layer-by-layer-in-quantum-materials/

[2]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02008-4

相关阅读：

每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！

你可能会错过：|qu|cryovac>

|qu|cryovac>