二维材料：以接近光的速度来传导电能

　　加州大学尔湾分校以及其他地方的物理学家制造出了具有突破性的电磁属性的新二维量子材料，这使得它们可以成为未来的量子计算机和其他先进电子设备的基石。

　　在分别发表在《自然》，《科学进展》和《自然*材料》上的三篇文章中，加州大学尔湾分校的研究人员与来自加州大圩伯克利分校，劳伦斯伯克利国家实验室，普林斯顿大学，复旦大学和马里兰大学的同事，研究了新材料的二维状态背后的物理，并确定它们可以把计算机的速度和能力推向一个新高度。

　　这些论文共同的地方是，这些研究都在极低的温度下进行，而且所有三项研究中的信号载体都不是像传统的硅基电子技术中所用的电子，而是狄拉克费米子或马约拉纳费米子，它们是没有质量，以接近光速的速度来运动的粒子。

　　“终于，我们可以采用一些奇特的高端物理理论来制造一些有用的东西，”加州大学尔湾分校物理学和天文学副教授Jing Xia说，他是这三篇文章的其中两篇的责任作者。“我们正在探索为接下来的100年制造拓扑量子计算机[目前只是理论上]的可能性。

　　这项研究的一个主要挑战是处理和分析通常只有两个原子厚，几微米长和几微米宽的微小材料样品。Xia位于加州大学尔湾分校的实验室配备他们自己制造的光纤Sagnac干涉仪显微镜。（另一个唯一存在的显微镜在斯坦福大学，由Xia在那里读研究生的时候所组装。）Xia将它称为世界上最敏感的磁显微镜，他把它比作一台望远镜，在尔湾的一个鸟类学家可以用它来观察远在纽约的一只鸟的眼睛。

　　“这台机器是这些发现理想的测量工具，”UCI研究生Alex Stern说，他是两篇论文的主要作者。“这是最精确的测量材料磁性的方法。”

　　在4月24日发表在《自然》杂志上的一篇文章中，研究人员详细介绍了他们通过Sagnac干涉仪对碲化铬锗（CGT）薄片中的磁性的观察。他们制作的这种化合物被在零下387华氏度（零下232.78摄氏度）下进行了观察。CGT是石墨烯的堂弟，石墨烯是一个超薄碳原子薄膜。自从被发现以来，石墨烯就被认为是在下一代计算机和其他设备中替代硅的一个潜在的替代品，因为电子信号掠过其几乎完全平坦的表面的速度非常快。

　　但是有一个问题：某些计算机零件，如存储器和存储系统，需要由具有电子和磁特性的材料制成。石墨烯具有电子特性而没有磁特性。CGT两者都有。

　　他的实验室还使用Sagnac干涉仪进行了一项发表在《科学进展》杂志上的研究，该文章研究了当铋和镍彼此接触时的那一时刻发生了什么——同样也是在非常低的温度下（在这里，是零下452华氏度）。Xia说他的研究小组在两种金属之间的界面上发现了一种打破时间反转对称性的奇异超导体。

　　“想象一下，你把时钟往回拨，一杯红茶变回了绿茶。这是不是会让这杯茶很奇特啊？这对于超导体来说确实是非常奇特的，”他说。“这还是第一次在二维材料中观察到它。”

　　在这个二维超导体中的信号载体是马约拉纳费米子，其可用于被理论家认为对于量子计算非常重要的编织操作。

　　“现在的问题是怎么尝试在常温下实现这一现象，”Xia说。这第三篇文章表明，克服这一障碍是有希望的。

　　2012年，Xia的实验室为国防高级研究项目署围绕六硼化钐制作了一个射频振荡器。该物质的里面是绝缘体，但是其允许由狄拉克费米子构成的携带信号的电流在其二维表面上自由流动。

　　使用一个在Xia的实验室制作的特殊装置——也是世界上仅有的两个之一——加州大学尔湾分校的研究人员在六硼化钐样品上施加了拉伸应变，并在发表在《自然*材料》杂志上的文章中证明了他们可以使二维表面态在零下27华氏度稳定下来。

　　“信不信由你，这比加拿大的一些地方还热呢，”Xia打趣道。“这项工作是朝着未来的工作在接近室温温度的量子计算机迈出的一大步。”