高端突破/科大发现新机制 量子应用价值高

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  图:温维佳教授(右)和吴肖肖博士展示用于观察第二类狄拉克锥的3D列印质料实验样品。

  石墨烯自2004年被发现以来,被视为21世纪最高端的质料之一。作为现今世上最薄、强度最大、导热性能最强的超级质料,近年来成为量子科学家争相研究的「宠儿」。石墨烯是一种拓扑质料,其奇异性子,大多泉源于其拓扑的「狄拉克锥」。

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  香港科技大学物理学系的温维佳教授及吴肖肖博士示意,全球首次发现石墨烯等新质料中的「第二类狄拉克锥」的普适发生气制,并在声学实验中实现了该质料的许多奇异性子,改变了过往只能在苛刻条件下零星获得该质料的窘况。该机制的发现,将为现代电子通讯、量子盘算、光学通讯,甚至隔音减噪质料等方面带来重大应用价值。/大公报记者 汤嘉平(文) 文 澔(图)

  石墨烯是一种平面单层慎密打包成一个二维(2D)蜂窝晶格的碳原子,而且是所有其他维度的石墨质料的基本构建模块。温维佳教授说,石墨烯是纳米量级的质料,比人类的头发丝还小,它的奇异性子大多泉源于其拓扑的「狄拉克锥」。但石墨烯中的「狄拉克锥」,属于理论预言中的「第一类狄拉克锥」。而理论预言中加倍怪异的「第二类狄拉克锥」,由于对外界信号的响应具有「第一类狄拉克锥」所不具备的极强的偏向性,将会为电子器件的开发与应用带来加倍广漠的可能。然而,到现在为止,「第二类狄拉克锥」只能在一些质料中零星地找到,缺乏系统的天生气理。

  电子「齐向前」效率更高

  吴肖肖博士先容道,是次他们的功效,就是发现了「第一类狄拉克锥」(下称「第一类」)之外的「第二类狄拉克锥」(下称「第二类」)的系统天生气理,也就是怎么天生「第二类」。吴博士在白板上画出了石墨烯的结构,即多个类似蜂窝的六边形图案。他说,每条边交汇成的格点,都是碳原子,内里另有电子。这些电子在石墨烯中传导的时刻,速率和能量的关系就出现一种交织的形状(见图2),被称为狄拉克锥。他说,电子在狄拉克锥中,有的会向前游走,有的会向后游走,这也就是「第一类」。而最理想的状态,就是需要电子朝单向传输,往一个偏向走,不要转头。「由于回来可能还会碰着一些晶格,要跟它碰撞、发烧,要消耗能量,就是所谓的电阻大。以是都往前面走最好。」吴博士说,「第二类」就是电子都往前走,只是有的走得快,有的走得慢而已。与「第一类」的性子相比,「第二类」电阻更小,电能转化效率也更高。

  「第二类」是在「第一类」的基础上,通过使倾斜效应占主导而得(见图3),这把原本对称的电子流动变得纰谬称。之前科学家在石墨烯内里做的时刻,需要用一个很大的力去拉石墨烯薄膜,但对于实践应用就很难。「你不能能在真正做器件的时刻,始终保持这么大一个薄膜,始终保持一个那么大的拉力,那怎么办呢?以是我们就需要设计一个新的方案,让这个电子在内里流传的时刻,加倍容易形成一种『倾斜』。」吴博士续说,电子和声音有一个类似的地方,即都是通过波来流传,两者原理相同。以是,若是行使声波做实验,发现能验证到结论,反推到电子流传上,也是确立的。

  声学已验证 操作性更强

  于是乎,温教授团队行使3D列印的具有周期排列的孔阵的声学样品(见图1),用声学共振态去模拟电子的行为。「我们在研究历程中发现,我们只要让电子在统一个偏向跃迁的时刻,只要让它们发生两种差其余跃迁强度,就好比是t1、t2两种纷歧样的跃迁强度,那么就很容易地获得这种第二类狄拉克锥,也是我们想要的狄拉克锥。」吴博士说,反推到电子上,只要是设计成这样的方案,类比来说,就是让两个电子同时用t0的速率往前跑,即所谓的能带摺叠,再让它们跑得速率纷歧样,一个变小成t1,一个变大成t2,就容易形成一种强烈的「倾斜」效应,就可以获得第二类狄拉克锥。温教授团队在声学样品里,乐成验证了这一原理。

  温维佳教授弥补道,这个实验方案较原先给石墨烯加压力的方案,加倍浅易,操作性更强。而本次实验的乐成,为研发一种电阻更小的电子质料奠基基础。「电阻变小,被消耗掉的能量就变小,你的芯片也就不会那么容易发烧。换句话说,假设一部手机,你现在充一次电可以用一天,以后若是有了电阻更小的质料,那你就可能充一次电用10天、20天。」据悉,是次温教授团队的研究效果,已宣布在物理学著名国际期刊《物理谈论快报》。

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