【产通社，1月13日讯】科学家首次在拓扑绝缘体中检测到激子（电中性准粒子），这些发现是来自Bologna、Wroclaw、New York、Oldenburg、Würzburg的科学家密切合作的结果，铋烯的2D材料样品在JMU Würzburg生产的。发现为新一代光驱动计算机芯片和量子技术铺平了道路，成果已经发表在《自然通讯》杂志上。

固体物理学的新工具箱

在为未来的量子技术寻找新材料的过程中，由于、来自维尔茨堡（Würzburg）和德累斯顿（Dresden）两所大学组成的卓越集群ct.qmat的科学家们，正专注于可以实现无损电流传导和强大信息存储的拓扑绝缘体的研究。这种材料的第一次实验实现发生在2007年的Würzburg，推动了世界范围内固态物理学的研究热潮，并一直持续到今天。

以前使用的拓扑绝缘体概念是基于施加电压来控制电流，这是一种在传统计算机芯片中采用的方法。然而，如果奇异物质的性质是基于电中性粒子（既不带正电也不带负电），电压就不再起作用。因此，这种量子现象需要其他工具才能产生，比如光。

光学和电子学通过量子现象联系在一起

来自Würzburg的量子物理学家兼ct.qmat的联合发言人Ralph Claessen教授领导的一个国际研究小组，现在有了一个关键的发现。“我们第一次能够在拓扑绝缘体中产生并实验性地探测到被称为激子（exciton）的准粒子。因此，我们为固态物理学创造了一个新的工具包，可通过光学来控制电子学。”正如Claessen强调的，“这一原理可能成为新型电子元件的基础。”

激子是电子准粒子。虽然它们看起来像独立的粒子，但实际上它们代表了一种只能在某些类型的量子物质中产生的受激电子态。“我们通过向仅由一层原子组成的薄膜施加短光脉冲来制造激子，”Claessen解释道。他说，这一点的不寻常之处在于，激子是在拓扑绝缘体中被激活的——这在以前是不可能的。“这为拓扑绝缘体开辟了一条全新的研究路线道。”

三激子铋

大约十年来，激子已经在其他二维半导体中被研究，并被视为光驱动元件的信息载体。“我们首次设法在拓扑绝缘体中用光学激发激子。光和激子之间的相互作用，意味着我们可以期待这种材料中的新现象。例如，这个原理可以用来产生量子位（qubit）”，Claessen说。

量子位是量子芯片的计算单位。它们远远优于传统的bits，可以在几分钟内解决传统超级计算机需要几年才能完成的任务。由于使用光而不是电压，量子芯片具有更快的处理速度。因此，最新的发现为未来的量子技术和微电子领域的新一代光驱动器件铺平了道路。

Würzburg的全球专业知识
选择正确的原材料至关重要——在这种情况下，就是铋烯。“这是奇迹材料石墨烯的重兄弟，”Claessen说，他五年前首次在实验室定制拓扑绝缘体。“我们是这个领域的全球领导者。由于我们复杂的材料设计，单层铋烯的原子排列成蜂窝图案，就像石墨烯一样。区别在于铋烯的重原子使其成为拓扑绝缘体，这意味着它可以沿着边缘无损耗地导电——即使在室温下。这是石墨烯做不到的。”

首次在拓扑绝缘体中产生了激子后，研究小组现在的注意力正转向准粒子本身。ct.qmat卓越集群的科学家正在研究铋烯的拓扑性质是否会转移到激子。科学地证明这一点是研究人员着眼的下一个里程碑。它甚至为拓扑量子位的构建铺平了道路，与非拓扑量子位相比，拓扑量子位被认为是特别鲁棒的。（Donna Zhang，张底剪报）