月度归档:2011年12月

下一代量子计算机很快就会面世了

下一代量子计算机很快就会面世了,到时候目前的技术有多少能用在上面呢?个人认为既然量子计算机是为了取代现在电子计算机研发的,那么现在计算机科学的绝大部分可以无缝迁移到上面吧。据说量子计算机是天然的并行运算体系,所以我认为c语言和openmp这两个东西结合一下就可以很好的发挥量子计算机的特性了。量子计算机应该也是基于指令的,所以现在的汇编语言不少指令应该可以被支持。目前cpu的架构也可以实现在量子计算机上,所以操作系统部分改动应该也不大。

全息量子计算机

美国空军研发全息量子计算机

据中国国防科技信息网报道 美国空军正在研发使用全息图携带数据进行演算的量子计算机。麻省理工学院《技术评论》表示,目前该项目处于概念阶段,如果应用,将可能为下一代计算设备铺平道路。该技术非常具有吸引力,因为它使“采用商用现货元件建造超高速计算机”成为可能。

量子计算机利用光传输信息进行处理。为了提高光子数据处理效率,科学家们使用干涉仪和光波叠加仪器。问题是,这些设备受制于频繁校准,而在计算机应用过程中将设备重叠在一个可扩展阵列时就会出现了问题。

美国空军研究人员研发了一种潜在的解决方案。他们建议使用仪器全息图存储在钢化玻璃里,取代实际干涉仪。由此产生的全息栈比相对的物理产品更稳定,更适用于执行量子计算。这个过程可以通过采用一种被称为OptiGrate的市售廉价全息材料来实现。

目前还有几个障碍限制了解决方案的应用。首先,全息图在每次计算时需要一定容量,而量子计算机的计算规模呈指数增长。此外,全息图像为一次写入,即使数据刻录到DVD也只是一次刻录。科学家们将不得不开发类似DVD-RW刻录技术。尽管面临这些挑战,科学家们乐观地认为,这项研究可能导致量子计算机的新浪潮。(工业和信息化部电子科学技术情报研究所 陈皓)

 

美学者为超导量子计算机研收回首个"光电开关"

本报讯 据美国物理学家组织网27日报道,美国国度规范技术研讨院(NIST)的迷信家,初次为由量子比特和量子传输总线组成的超导电路研收回了一个“光电开关”,能够很好地谐和量子比特和总线的“沟通”任务。该新技术无望在将来的量子计算机中更好地完成消息的存储和传输,也无望减速适用型量子计算机研发任务的停顿。相关研讨将宣布在新一期的《物理评论快报》上。

量子比特是将来量子计算机的根本建立单位,次要用来存储量子消息。该研讨团队之前制造的量子数据传输总线(量子客车)使得量子比特能够一个一个衔接起来,从而完成消息传送。量子总线由空腔(cavity)组成,其可让单个微波光量子假装成规范波,还能在短工夫内贮存量子位。某量子位中的消息被编码后,在转移到另一量子位前可在空腔中贮存10纳秒。

NIST研制的新开关是一个射频量子扰动超导探测器(SQUID),也是一个磁场探测器。一个电压脉冲将一个单元的能量(单个微波光量子)施加于一个量子比特上,就会发生一个电路。经过谐和施加于SQUID上的磁场,迷信家能够改动位于量子比特和空腔之间的单个光量子照顾的能量或许传输率,因而,该开关能够波动地“谐和”量子比特和量子客车之间互相作用的比率,从100兆赫兹到接近0赫兹。

该研讨团队的指导人、NIST的物理学家雷·斯曼德称,这个技术打破将有助于研讨职员灵敏掌握一个繁杂网络中的很多电路的各个组成元素之间的互相作用,适用级的量子计算机也具有十分繁杂的网络,所以,新研讨打破也有助于量子计算机更好地任务。

斯曼德研讨团队也曾经证实,适用于两个或许三个超导量子比特的开关会纠缠在一同,但是,新开关初次完成了其一段工夫内发生的量子行为是可猜测的,并且其与单个微波光量子之间的交流行为也是可控的。斯曼德表示,我们让量子比特、开关和空腔三个不同的组件互相谐和无效地任务,没有能量丧失。

据悉,一切这些组件(量子比特、开关和空腔)都由铝制造。迷信家采用叠层的方式,将这些元件建筑在一个蓝宝石的芯片上。

(刘霞)
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英国:布里斯托尔大学研发出多功能光子晶片

据英国媒体12月11日报道,近日英国布里斯托尔大学(University of Bristol)量子光电中心研究员开发出了多功能光学晶片。该晶片能产生、控制和测量量子纠缠(entanglemen)和量子混合(mixture)两个量子现象,而这两大现象是推动未来量子计算机诞生的关键性力量,此项研究代表了量子计算机开发进程迈出了重要一步。

推动量子计算机的基本资源是纠缠——两个远程微粒间的连接,被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”。而Bristol研究员首次展现了此种量子现象可以在微小的硅晶片上被产生、控制和测量。同时研究员还利用同块晶片来测量量子混合现象,通常这种现象为自然不利作用,但现在可以受到控制并用来塑造量子集成电路。

该研究中心主任Jeremy O’Brien教授表示:“要制造量子计算机,我们不仅需能控制缠结和混合等复杂的量子现象,还必须得能在芯片上得以实施,这样才能像当今的现代电脑一样复制多个微型电路,而我们的研究做到了,这是向光量子计算迈出了一大步。”

该晶片上展开的实验按常规是在餐桌大小的光学试验台上进行的,而此晶片长却只有70毫米,宽仅为3毫米,上面布有细小通道网络,能够引导、控制和互动单个光量子。利用电路中嵌入的8个可重构电极,可控制和纠缠光量子对,产生任何可能的两个量子间的纠缠状态或单个光量子的混合状态。

首要研究员Peter Shadbolt称:若量子计算机仅能执行单一特定任务,并不理想。他们希望开发能执行多任务的重构设备,他们已经办到了这一点了。”

 

 

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量子计算机处理富有新意,不只是超级机器

By SCOTT AARONSON
作者:SCOTT AARONSON

Published: December 5, 2011
发表日期:2011年12月5日

When people hear that I work on quantum computing — one of the most radical proposals for the future of computation — their first question is usually, “So when can I expect a working quantum computer on my desk?” Often they bring up breathless news reports about commercial quantum computers right around the corner. After I explain the strained relationship between those reports and reality, they ask: “Then when? In 10 years? Twenty?”

当人们听说我从事量子计算机处理的工作–对于未来的计算机操作的一个最激进的想法–他们通常的第一问题,“那我要等到什么时候才能在我的桌上使用量子计算机?”他们常常提出让人屏息的关于商业量子计算机就在某处的的报道。在我对现实和报道的牵强的关系进行解释后,他们问:“那要什么时候?在10年以内?20年?”

Unfortunately, this is sort of like asking Charles Babbage, who drew up the first blueprints for a general-purpose computer in the 1830s, whether his contraption would be hitting store shelves by the 1840s or the 1850s. Could Babbage have foreseen the specific technologies — the vacuum tube and transistor — that would make his vision a reality more than a century later? Today’s quantum computing researchers are in a similar bind. They have a compelling blueprint for a new type of computer, one that could, in seconds, solve certain problems that would probably take eons for today’s fastest supercomputers. But some of the required construction materials don’t yet exist.

不幸的是,这有点像是问在19世纪30年代设计了普通用途的计算机图纸的 Charles Babbage,是否这个奇妙的设备在19世纪40年代或是50年代可以在商店的货架上出售。Babbage 能预测到这些特别的技术吗–电子管和晶体管–这将会在超过一个世纪以后让他的梦想变成现实吗?今天的量子计算机处理研究人员处于一个类似的困境。他们有一个吸引人的新式计算机的计划,一个可以在短时间内解决一些特定的问题,这些问题对于目前的最快的超级电脑可能要用无数的年代。但是一些建造所需的原材料仍然不存在。

So you might think quantum computers are something real scientists — as opposed to science-fiction buffs — won’t need to worry about for a long time. But I’d urge a different view. Quantum computing really is one of the most exciting things happening in science right now. Just not for the reasons you usually hear.

那么你可能认为量子计算机是一些科学家们的事情–针对一些科幻小说迷们来说–不需要担心要等很长时间。但是要强调另外一个不同的观点。量子计算机处理是目前在科学界发生的最激动人心的事情之一。不是由于你通常听到的那些原因。

First, though, what is a quantum computer? Walk into a quantum computing lab, and you won’t see much: maybe a fist-size “trap” where ions (often cadmium or calcium) are suspended in a magnetic field, a laser for moving the ions around, a computer screen with a row of flickering white blobs representing the ions’ approximate locations. The real action, one might say, is happening in a different realm entirely: in the alien mathematics that governs what the ions are doing.

首先,可是,什么是量子计算机呢?走进一个量子计算机处理的实验室,你不会看到很多:可能是一个拳头大小的“阀门”在那里离子(通常镉或是钙)都悬浮在一个磁场里,一个激光器用来移动这些离子,一个计算机屏幕用白色的气泡显示着这些离子的大概位置。真正的作用,你可以说,完全的发生在不同的领域:离子的行为是通过不同的数学来支配的。

Struggling to shoehorn that mathematics into newspaper-friendly metaphors, most popular writers describe a quantum computer as a magic machine that could process every possible answer in parallel, rather than trying them one at a time. Supposedly, it could do that because, unlike today’s computers that manipulate bits, a quantum computer would manipulate quantum bits, or qubits, which can be 0 and 1 simultaneously.

为了把数学强加入新闻式的隐喻里面,多数受欢迎的作家把一个量子计算机描写成为一个有魔力的机器,可以同时处理每一个可能的回答,而不是把它们每次一个来处理。按照推测,它可以这样做是因为,它不像今天的计算机的位处理一样,一个量子计算机将进行量子位处理,或者是量子位,它可以同时是0和1。

But that’s a crude way to visualize what a quantum computer does, and misses the most important part of the story. When you measure a quantum computer’s output, you see just a single, random answer — not a listing of all possible answers. Of course, if you had merely wanted a random answer, you could have picked one yourself, with much less trouble.

但是这只是一个粗略的方式来形象化的说明量子计算机可以做什么,并且遗漏了故事的最重要的部分。当你测量一个量子计算机的输出时,你看到的只是单一的、随机的回答–不是一个所有可能的答案的清单。当然,如果你只想要一个随机的回答,你可以自己选一个,并且更省事。

Thus, the sole reason to prefer a quantum computer is that the subatomic world obeys different laws of probability than the ones we are used to. In everyday life, it would be silly to speak of a “minus 30 percent chance of rain tomorrow,” much less a “square root of minus 1 percent chance.” However, quantum mechanics is based on numbers called amplitudes, which are closely related to probabilities but can also be negative (in fact, they are complex numbers). Crucially, if an event (say, a photon hitting a screen) can happen one way with positive amplitude, and a different way with negative amplitude, then the two amplitudes can “interfere destructively” and cancel each other out, so that the event never happens at all. The goal in quantum computing is to choreograph a computation so that the amplitudes leading to wrong answers cancel each other out, while the amplitudes leading to right answers reinforce.

因此,更喜欢量子计算机的唯一原因是亚原子世界所遵守的规则不同于我们通常所应用的。在日常生活里,说“明天下雨的可能性是百分之负30”是愚蠢的,更不用的一个“百分之负1的平方根的机会了”。无论如何,量子力学的是建立在被称为振幅的数字的基础上的,它紧密的涉及到了概率,但是也可以是否定的(事实上,它们都是复数)。关键是,如果一个事件(比如,一个光子撞击一个屏幕)可以以一种带有正振幅的方式发生,并且以一种带有负振幅的不同方式,那么这两种振幅会“破坏性的干扰”并且互相抵消,因此这个事件根本就没有发生。量子计算机处理的目的是精心安排一个计算处理,那么导致错误回答的振幅会互相抵消,那么导致正确回答的振幅被强化了。

Contrary to a widespread misconception, it’s for only a few specialized types of problem that researchers know how exploit that trick to obtain dramatic speed increases over today’s computers. To date, the two main examples are simulating the behavior of atoms and molecules, and breaking certain cryptographic codes — including, by unlucky coincidence, most of the codes used in modern electronic commerce. Of course, both problems can be tackled with conventional computers, too — but, though no one has proved it, it’s plausibly conjectured that any conventional algorithm would need a huge amount of time. While code-breaking understandably grabs the headlines, it’s the more humdrum application of quantum computers — simulating quantum physics and chemistry — that has the potential to revolutionize fields from nanotechnology to drug design.

与广泛流传的误解相反,只还有一点点专业问题那么研究人员就可以从这个诀窍中获得比目前的电脑速度戏剧性的增长。迄今为止,这两个主要的例子都是在模拟原子和分子的行为,以及破解加密的代码–包括,由于不幸的巧合,多数的这些代码用于现代电子商务。当然,两个问题都可以用传统的计算机来解决,–但是,尽管没有人证实过,这似乎是很有道理的推测,就是任何的传统的算法就需要大量的时间。虽然密码破译理所当然的成了头条新闻,是量子计算机的更多的枯燥单调的应用–模拟量子物理学和化学–具有从毫微科技领域直到药物开发进行彻底革新的潜能。

Unfortunately, while small quantum computations have already been demonstrated in the lab, they typically fall apart after only a few dozen operations. That’s why one of the most-celebrated quantum computations to date has been to factor 15 into 3 times 5 — with high statistical confidence! The problem is decoherence: basically, stray interactions that intrude prematurely on the computer’s fragile quantum state, “collapsing” it like a soufflé. In theory, it ought to be possible to reduce decoherence to a level where error-correction techniques could render its remaining effects insignificant. But experimentalists seem nowhere near that critical level yet.

不幸的是,虽然小规模的量子运算已经在实验室里演示过了,但是它们只做了少数的操作之后就有特征性的崩溃了。这就是为什么迄今为止最著名的量子运算之一把15分解成了3个5–带有高度的统计学信心!问题是脱散:基本上,脱离的交互作用过早的侵入这台计算机的脆弱的量子态,“崩溃”就象是一个杂音。理论上,脱散是可以可能被减到一个等级,纠错技术的实施能让剩余的影响变得不关紧要。但是实验者似乎仍然离临界点差得很远。

And yet, even though useful quantum computers might still be decades away, many of their payoffs are already arriving. For example, the mere possibility of quantum computers has all but overthrown a conception of the universe that scientists like Stephen Wolfram have championed. That conception holds that, as in the “Matrix” movies, the universe itself is basically a giant computer, twiddling an array of 1’s and 0’s in essentially the same way any desktop PC does.

可是,即使可用的量子计算机可能还需要几十年,它们的很多回报了已经出现了。例如,仅是量子计算机的可能性就差点推翻了象Stephen Wolfram 这样的科学家支持的宇宙的概念。这个概念认为,比如在电影“黑客帝国”里,宇宙自身基本上是一个巨大的计算机,摆弄着一排1和0的数字实际上和任何的桌面型计算机做的一样。

Quantum computing has challenged that vision by showing that if “the universe is a computer,” then even at a hard-nosed theoretical level, it’s a vastly more powerful kind of computer than any yet constructed by humankind. Indeed, the only ways to evade that conclusion seem even crazier than quantum computing itself: One would have to overturn quantum mechanics, or else find a fast way to simulate quantum mechanics using today’s computers.

量子计算机通过展示如果“宇宙是一台计算机”挑战了这种想法,那么即使在一个讲究实际的理论上的等级,它也将是迄今为止一个比现在人类建造的任何计算机都更强大的计算机。实际上,避免做出这种结论的唯一途径似乎比量子计算机处理这种概念更疯狂:它将会推翻量子力学,或是找出一条捷径来把模拟量子力学用于今天的计算机。

Setting aside these cosmic concerns, there are more practical spinoffs from research in quantum computing. Techniques invented to understand quantum algorithms have repeatedly proved useful for understanding conventional algorithms — and there are now cryptographic codes, purely for conventional computers, for which the main evidence of their security comes from arguments based on quantum computing. Quantum computing ideas have also influenced chemistry and physics: Several research groups have used quantum-computing analogies to explain the remarkable light-harvesting efficiency of photosynthetic molecules in plants, and to suggest how solar panels might be designed with similar efficiencies.

把对宇宙的关注放在一边,这里还有来自量子计算机处理研究的更实际的副产品。用来理解量子运算法则而发明的技术,重复的被证明对于理解传统的运算法则非常有用–并且现在还有纯粹用于传统计算机的密码,它们的安全的主要证据来自于量子计算机运算的论据。量子计算机的想法也影响到了化学和物理:几个研究小组还使用量子计算机运算类推来解释在植物中光合作用分子引人注意的光捕捉的功效,并且建议太阳能电池板怎样才可以设计成具有类似的功效。

But the biggest payoff so far may have been an improvement in the way quantum mechanics itself is taught and understood. Since its beginnings in the 1920s, quantum mechanics has been considered the prototype of an abstruse, complicated theory: something beyond the grasp of all but a few physicists. Today, though, I and others regularly explain its underlying logic to students by focusing on the simplest imaginable system to which that logic applies: the qubits that make up a quantum computer.

但是迄今为止最大的回报应该是量子力学自身被传授和理解的方式得到了改善。自从20世纪20年代它的开始,量子力学被认为是这种深奥,复杂的理论的原型:只有少数几个物理学家可以理解的事情。今天,尽管,我和其他人定期向学生们解释它潜在的逻辑,通过集中于逻辑学所应用的最简单的可想向的系统:是量子比特构成了量子计算机。

Like fusion power, practical quantum computers are a tantalizing possibility that the 21st century may or may not bring — depending on the jagged course not only of science and technology, but of politics and economics. By contrast, as a scientific endeavor that combines many of the deepest questions of physics and computer science, there’s no need to wait for quantum computing: It’s already here.

就象核聚变能,实用的量子计算机是一种让人着急可能性,就是在21世纪也许或也许不会产生–依赖于参差不齐的方针,不只是科学和科技,而是政治和经济。对比之下,作为科学的努力把物理学和计算机科学里许多最深奥的问题结合在一起,已经没有对于量子计算机处理的需要了:它已经在这里了。

光子芯片带来可编程量子处理器

新开发一种多用途光学芯片,可以生成、操纵和测量纠缠和混合这两种量子现象,这两种现象是基本驱动力量,可用于未来的量子计算机,这种芯片已开发出来,开发者是布里斯托尔大学(University of Bristol)量子光子学中心的研究人员。这项工作代表着重要的一步,这场比赛就是要开发量子计算机。

画家笔下的量子光子芯片,波导电路(白),电压控制移相器(表面上的金属触点)。光子对会纠缠,因为它们会穿过电路。

一种基本方法可以驱动量子计算机,就是纠缠,它可以连接距离遥远的两个粒子,爱因斯坦称为着名“超距幽灵作用”(spooky action at a distance)。布里斯托尔大学研究人员首次表明,这一着名现象可以生成、操纵和测量,完全可以采用一个微小的硅芯片进行。他们还使用相同芯片来测量混合,这往往是环境中不需要的效果,但这种现象现在可以控制,用于表征量子电路,这也是物理学家的根本利益。

“为了制成量子计算机,我们不仅要能够控制复杂的现象,如纠缠和混合,也要能够在芯片上做到这一点,这使我们可以升级、复制很多这样的微型电路,而采用的大多是相同的方式,就像我们今天的现代计算机,”杰里米?奥布莱恩教授(Jeremy O’Brien)说,他是量子光子学研究中心主任。“我们的设备可以做到这一点,而且我们相信,这是前进了一大步,将带来光学量子计算。”

这种芯片有70毫米×3毫米,可以进行几个实验,而通常情况下,每个实验都要采用光学平台,平台有一个大餐桌大小。它包含微小的通道网络,可以诱导、操作和互动单光子,也就是光的粒子。使用8个可重构电极,嵌入电路,光子对就可以被操纵和纠缠,这可以产生任何可能的双光子纠缠态,或单光子的任何混合态。

“这并不理想,因为你的量子计算机只能执行一个特定的任务,” 彼得?夏德保尔特(Peter Shadbolt)解释说,他是这项研究的主要作者,论文发表在《自然?光子学》(Nature Photonics)杂志上。“我们宁愿有一个可重构的装置,可以执行各种各样的任务,很像我们今天的台式电脑,这种可重构性能正是我们现在证明的。这一设备比以前的实验复杂10倍左右,以前的实验也使用这种技术。这是令人兴奋的,因为我们可以用非常简单的方式,进行许多不同的实验,用一个单一的可重构芯片就行。”

这些研究人员一直在开发量子光子芯片,已经过去6年了,目前,正在升级这一复杂的设备,把这项技术作为构建模块,用于未来的量子计算机

英国伦敦帝国学院(Imperial College in London)特里?鲁道夫(Terry Rudolph)博士认为,这项工作是一项重大的进步。他说:“能够生成、操纵和测量纠缠,在芯片上做成,就是一个了不起的成就。它不仅是一项关键进步,可用于很多量子技术,如光学量子计算,这些技术会彻底改变我们的生活,而且,它给了我们更多的机会,可以探讨和摆弄一些很怪异的量子现象,这些现象我们仍在努力理清头绪。他们使这很容易了,几秒钟就可以做一个拨号实验,过去要用几个月,而且我甚至不知道,现在我是否可以做我自己的实验。”

量子计算机物理所拓扑超导体与拓扑半金属研究取得新进展

近年来,作为一种新的量子物态,拓扑绝缘体因其丰富奇特的电子特性以及在未来电子技术中的应用前景,在世界范围内取得了快速发展,并成为凝聚态物理研究中的一个热点领域。在寻找具有更高应用价值的强拓扑绝缘体材料的同时,许多新的拓扑物性被预言和发现,如磁单极、拓扑超导态、Majorana费米子和量子化的反常霍尔效应等。其中,尤以Majorana费米子和量子反常霍尔效应因其奇特的量子特性和应用价值而备受关注。

1937年,意大利物理学家Ettore Majorana提出一组满足Dirac方程的实数解,与描述电子的复数解不同,这组实数解描述了一个具有电中性,且该粒子的反粒子就是其自身的全新粒子,后来被人们称为Majorana费米子。理论研究发现,Majorana费米子满足非阿贝尔统计规律,即操作粒子的结果与操作的先后顺序有关,这为设计新概念的拓扑量子计算机提供了重要途径。因而,寻找Majorana费米子既有重要的基础理论意义,也有巨大的潜在应用价值。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室的方忠研究组及其合作者,在该研究方向上取得重要进展,从理论上预言NaCoO2的表面态具有半金属性,在其与传统s波超导体的界面上可以诱导出拓扑超导态。NaxCoO2是层状结构材料[图1],当x大于0.5而小于1.0时,CoO2层具有铁磁序而相邻层反铁磁排列;x=1.0时,NaCoO2是简单的能带绝缘体。翁红明、徐刚等人巧妙地利用这一特点,提出如果保持体内Na的浓度x=1.0,而部分或全部除去最外层的Na[图1],通过理论计算发现,表面的CoO2层具有稳定的铁磁半金属性,而且只有单个自旋极化的费米面[图2]。由于Rashba型自旋轨道耦合效应,其费米面具有与拓扑绝缘体表面态费米面类似的自旋构型[图2],因而可以用来实现p+ip型的拓扑超导态,并进而可能在其中找到Majorana费米子态。本工作以Rapid Communicaton形式发表在Phys. Rev. B 84, 060408 (2011),并被选为编辑推荐的文章。

最近,徐刚、翁红明等人又将凝聚态中电子态通过拓扑分类的概念从绝缘体推广到了半金属。他们通过计算发现了一种特殊的拓扑半金属态材料HgCr2Se4。HgCr2Se4具有典型的尖晶石结构,它的低能电子结构可以很好地用我们熟悉的重空穴、轻空穴和具有S轨道特性的导带来描写。在低温下,Cr离子的磁矩形成很强的铁磁态,费米面附近的能带感受到很强的塞曼劈裂,这导致了自旋向下能带反转而自旋向上的能带维持正常的结构。所以在HgCr2Se4材料中,只有自旋取向跟磁化方向一致的那一半能带形成了反带结构,从而导致所谓的既是单自旋金属(暂译,half-metal)又是半金属(semi-metal)的极为特殊的电子结构。在这种特殊的电子结构下,体系的能带在沿Z轴的两个互为反演的点上交叉,形成所谓的“Weyl”费米子的特殊结构,“Weyl”费米子是狄拉克费米子的一半,在空间维度是三维的情况下,任何保持平移对称的微扰项都不能使得能隙打开,而只能使交叉点在k空间内移动。因此,这样的“Weyl”费米子体系是拓扑稳定的。

徐刚等人在文章中进一步对该体系的拓扑结构进行了分析,指出这类“Weyl”费米子体系可以通过研究有效Chern数随着z方向动量演化来很好地刻画。“Weyl”费米子的一个重要的物理后果是在其侧表面上形成所谓的“费米弧”(见图 3),即不连续的费米面结构。这完全是其特殊的能带拓扑结构所导致的。同时,徐刚等人进一步预言,如果把HgCr2Se4材料制成有限厚度的量子阱,可以实现量子化的反常Hall效应(图 4)。该文章在Phys. Rev. Lett.发表以后,引起了编辑部的浓厚兴趣,他们专门约稿在Physics杂志上同步刊登了介绍文章,向读者重点推荐该工作,同时该文也被PRL编辑部评为当期的编辑推荐文章。

以上工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究发展计划、重大科学研究计划和国际科技合作计划的支持。

图1,NaCoO2的表面模型
图1,NaCoO2的表面模型

 

图2,5-层 NaCoO2的自旋极化能带图,自旋向下为绝缘态,只有自旋向上的费米面,其自旋构型与拓扑绝缘体表面态相似。

 

图2,5-层 NaCoO2的自旋极化能带图,自旋向下为绝缘态,只有自旋向上的费米面,其自旋构型与拓扑绝缘体表面态相似。

图3,在HgCr2Se4侧表面上形成的“费米弧”
图3,在HgCr2Se4侧表面上形成的“费米弧”

 

图4, HgCr2Se4中霍尔电导随量子阱厚度d的台阶式跳变
图4, HgCr2Se4中霍尔电导随量子阱厚度d的台阶式跳变