科学家将两种“不可能”的材料融合到新的人造结构中

由罗格斯大学新不伦瑞克分校的研究人员领导的一个国际团队将两种实验室合成的材料合并成一种曾经被认为不可能存在的合成量子结构，并产生了一种奇特的结构，有望为量子计算核心的新材料提供见解

这项工作在《纳米快报》杂志的封面故事中进行了描述，解释了四年的连续实验是如何产生一种设计和构建由不同原子层组成的独特微小三明治的新方法的

一片微观结构由钛酸镝制成，钛酸镝是一种无机化合物，用于核反应堆捕获放射性物质并含有难以捉摸的磁单极粒子，而另一片由烧绿石铱酸盐组成，烧绿石是一种新型磁性半金属，因其独特的电子、拓扑和磁性而主要用于当今的实验研究

单独来看，这两种材料通常被认为是“不可能”的材料，因为它们的独特性质挑战了对量子物理学的传统理解

这种奇特的三明治结构的构建为在原子尺度上对所谓的界面（材料相遇的区域）进行科学探索奠定了基础

罗格斯艺术与科学学院物理与天文学系Claud Lovelace实验物理学教授、该研究的首席研究员Jak Chakhalian说：“这项工作为设计全新的人造二维量子材料提供了一种新方法，有可能推动量子技术，并以以前不可能的方式更深入地了解其基本特性。”

Chakhalian和他的团队正在探索一个遵循量子理论定律的领域，量子理论是物理学的一个分支，描述了原子和亚原子水平上物质和能量的行为。量子力学的核心是波粒二象性的概念，量子物体可以同时具有类波和类粒子的特性，这是激光、磁共振成像（MRI）和晶体管等技术背后的基本原理

Chakhalian高度赞扬了三位对这项研究做出重大贡献的罗格斯大学学生的努力：Michael Terilli和Tsung Chi Wu，两位博士生，以及Dorothy Doughty，她于2024年毕业，并在本科生时期参与了这项研究。此外，与Chakhalian合作的材料科学家Mikhail Kareev对新的合成方法做出了主要贡献，以及最近从物理与天文学系毕业的博士生Fangdi Wen

Chakhalian说，创造这种独特的量子三明治在技术上极具挑战性，因此团队必须建造一种新设备来完成这一壮举

该仪器名为Q-DiP，是量子现象发现平台的缩写，于2023年完成。Q-DiP将红外激光加热器与另一种激光器结合在一起，可以在原子水平上逐层构建材料。这种组合使科学家们能够探索材料最复杂的量子特性，直至接近绝对零度的超低温

Chakhalian说：“据我们所知，这项调查在美国是独一无二的，是一项突破性的工具性进展。”

实验三明治的一半是钛酸镝，也称为自旋冰，具有特殊性质。内部的微小磁铁被称为自旋，其排列方式看起来与水冰的图案完全一样。自旋冰中微小磁体的独特结构使它们能够以称为磁单极子的特殊粒子的形式出现

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磁单极子是一种类似磁铁的粒子，但只有一个磁极——要么是北极，要么是南极，但不是两者都有。诺贝尔奖获得者保罗·狄拉克于1931年预测，这个物体在宇宙中并不以自由形式存在，但在自旋冰内部，它是材料内部量子力学相互作用的结果

在三明治的另一边，半金属烧绿石铱酸盐也被认为是奇特的，因为它含有被称为Weyl费米子的微小相对论粒子。同样，令人惊讶的是，尽管赫尔曼·韦尔在1929年做出了预测，但这些2015年在晶体中发现的奇异粒子像光一样运动，可以以不同的方式旋转——左手或右手

它们的电子特性非常强，能够抵抗某些类型的干扰或杂质，使其在作为电子设备的一部分运行时非常稳定。因此，烧绿石铱酸盐可以很好地导电，以不同寻常的方式对磁场做出反应，并在暴露于电磁场时显示出特殊效果

Chakhalian说，这种新材料的综合性能使其成为用于先进技术的有前景的候选者，包括量子计算，特别是下一代量子传感器

“这项研究是材料合成领域的一大进步，可能会对我们制造量子传感器和推进自旋电子器件的方式产生重大影响，”他说

量子计算采用量子力学原理来处理信息。由于称为叠加的量子物理原理，量子计算机使用同时存在于多个状态的量子比特或量子位。这使得复杂的计算比经典计算机更有效地执行

研究人员开发的材料的特定电子和磁性可以帮助创造非常不寻常但稳定的量子态，这对量子计算至关重要

当量子技术变得实用时，它将通过彻底改变药物发现和医学研究，显著改善金融、物流和制造业的运营、可预测性和成本节约，对普通生活产生重大影响。科学家们表示，它还有望彻底改变机器学习算法，使人工智能系统更加强大 More information: Mikhail Kareev et al, Epitaxial Stabilization of a Pyrochlore Interface between Weyl Semimetal and Spin Ice, Nano Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03969

Journal information: Nano Letters