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在這座島嶼上,物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了奇特的寶藏!

發(fā)布時(shí)間:2019-08-17 10:12:08來(lái)源:原理


Natasha Hanacek/NIST

  在物理學(xué)的海洋中,有一座奇異的島嶼,名為“單線態(tài)島”。這座島嶼的溫度由北向南越來(lái)越暖。在最北部的極寒地區(qū),溫度低于-271.5 攝氏度(或者說(shuō) 1.6 開(kāi)爾文),那里居住著一些具有神奇能力的居民——“超導(dǎo)人”,他們非常畏懼高溫,一旦溫度過(guò)高,超能力便會(huì)失效。偶爾,你能在高于 30 開(kāi)爾文的中部島嶼上發(fā)現(xiàn)他們的蹤跡,但南部對(duì)他們來(lái)說(shuō)似乎實(shí)在太熱了。

  除了溫度之外,這座島嶼上的山峰也會(huì)對(duì)超導(dǎo)人造成影響,山峰的磁場(chǎng)會(huì)干擾超導(dǎo)人的超導(dǎo)能力。外部的探險(xiǎn)家非常想要借用超導(dǎo)人的這種神奇力量。這種力量非常強(qiáng)大,探險(xiǎn)家若想要建造出一種名為量子計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大機(jī)器,就必須要有超導(dǎo)人的幫忙。因此他們從未停止在全島搜索超導(dǎo)人的下落,包括島嶼南部。

  探險(xiǎn)者在單線態(tài)島上發(fā)現(xiàn)了很多超導(dǎo)人,后來(lái)他們聽(tīng)島上的超導(dǎo)人說(shuō),在很久很久以前,有一部分超導(dǎo)人漂洋過(guò)海去到了位于單線態(tài)島東部的島嶼,并告訴他們,在那座島嶼上,或許也居住著他們的同伴。

  探險(xiǎn)家立即出發(fā)前往那座島嶼,果不其然,在那座名為“三重態(tài)島”的島嶼上,他們遇到了一些非常罕見(jiàn)的超導(dǎo)人。而更重要的是,他們?cè)谌貞B(tài)島的北部地區(qū)意外地發(fā)現(xiàn)了有一種名為碲化鈾(UTe?)的超導(dǎo)人,這種超導(dǎo)人似乎絲毫不受高聳山峰對(duì)它們施加的磁場(chǎng)的影響。無(wú)論周圍環(huán)境如何干擾,它們?nèi)阅芫S持其超導(dǎo)能力,這不禁讓探險(xiǎn)家喜出望外:這不正是制造量子比特的絕佳人才嗎!

  1.

  其實(shí),上面這則小故事中的 UTe?是一種超導(dǎo)材料。在最近的《科學(xué)》雜志上,來(lái)自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)的科學(xué)家詳細(xì)描述了這種材料擁有的一些非比尋常的特性,無(wú)論從技術(shù)應(yīng)用還是基礎(chǔ)科學(xué)的角度,這些罕見(jiàn)的性質(zhì)都非常有趣。

  一直以來(lái),科學(xué)家都非常希望能夠找到適合建造量子計(jì)算機(jī)的材料。在研發(fā)過(guò)程中所遇到的眾多難題中,其中一個(gè)就是他們需要讓量子計(jì)算機(jī)的內(nèi)存存儲(chǔ)開(kāi)關(guān)(即量子比特)可以運(yùn)行足夠長(zhǎng)的時(shí)間,這樣才能在失去允許它們作為一個(gè)整體運(yùn)行的微妙物理關(guān)系之前,完成一次計(jì)算。而這種微妙的物理關(guān)系就是量子相干,在周圍環(huán)境的干擾下,量子相干非常難以維持,這是一件很難做到的事。

  但這次的意外發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家意識(shí)到,似乎可以利用具有超強(qiáng)的抗磁能力的 UTe?來(lái)幫助解決這個(gè)難題。在超導(dǎo)材料中,具有如此強(qiáng)大的抗磁場(chǎng)能力是非常罕見(jiàn)的,這為設(shè)計(jì)量子比特提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其主要原因是,它對(duì)那些容易進(jìn)入量子計(jì)算的誤差具有很強(qiáng)的抵抗能力。UTe?可以為一個(gè)的量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造出高效的量子比特,這對(duì)新生的量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)格外具有吸引力。甚至有科學(xué)家稱,UTe?這種材料或許將成為量子信息時(shí)代的硅。

  2.

  首先,UTe?具有非常特別的導(dǎo)電方式。在 UTe?這種超導(dǎo)材料中,它的電子“配對(duì)”方式是與其他超導(dǎo)材料不同。何為“配對(duì)”?我們知道,在銅線或一些其他的普通導(dǎo)體中,電子是以單個(gè)粒子的形式運(yùn)動(dòng)的;但在所有的超導(dǎo)體中,它們都會(huì)成對(duì),形成所謂的“庫(kù)珀對(duì)”。這些材料之所以具有超導(dǎo)性,就是因?yàn)榫哂心茏岆娮优鋵?duì)的電磁相互作用。

  對(duì)庫(kù)柏對(duì)來(lái)說(shuō),尤為重要的是電子的量子“自旋”,這是所有電子都具有的性質(zhì),有了自旋,每個(gè)電子的行為都像是它們被一個(gè)小型的條形磁鐵穿過(guò)了一樣。在大多數(shù)超導(dǎo)材料中,成對(duì)電子的量子自旋一個(gè)指向上方,一個(gè)伴指向下方。這種相反的配對(duì)被稱為自旋單線態(tài)。

  在已知的超導(dǎo)體中,還有一小部分“不守規(guī)矩”的材料,它們的庫(kù)珀對(duì)的自旋可以有三種組合方式,使它們成為了所謂的自旋三重態(tài),它們的自旋可以朝著同一方向。UTe?就是其中之一。

  大多數(shù)自旋三重態(tài)的超導(dǎo)體也被預(yù)測(cè)為是“拓?fù)?rdquo;超導(dǎo)體,它們具有一種具有非常有用的特性,那就是超導(dǎo)性可以在材料的表面發(fā)生,而且即使遭受到了外部干擾,也能維持超導(dǎo)性。也就是說(shuō),這種擁有平行自旋的庫(kù)珀對(duì)或許能完美地讓量子計(jì)算機(jī)維持其功能,它們不會(huì)因?yàn)榱孔訚q落而崩潰。

  到目前為止,所有的量子計(jì)算機(jī)都需要一種能用來(lái)糾正那些能從它們周圍悄悄潛入的錯(cuò)誤的方法。在這個(gè)問(wèn)題上,超導(dǎo)材料一直被認(rèn)為具有普遍的優(yōu)勢(shì),而拓?fù)涑瑢?dǎo)體特性還具有無(wú)需量子誤差校正的額外優(yōu)勢(shì)。一個(gè)拓?fù)涑瑢?dǎo)體可以提供一個(gè)沒(méi)有錯(cuò)誤的量子比特,而且它們還可能擁有很長(zhǎng)的壽命。拓?fù)涑瑢?dǎo)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的另一種途徑,它們可以保護(hù)量子比特免受環(huán)境影響。

  3.

  發(fā)現(xiàn) UTe?實(shí)屬偶然,這是研究人員在探索鈾基磁鐵時(shí)的一個(gè)意外驚喜。其實(shí)早在 20 世紀(jì) 70 年代,UTe?就已被創(chuàng)造出來(lái)了。即使到最近,科學(xué)界也普遍認(rèn)為它不具有任何特別引人注目的性質(zhì)。而這次,研究人員是在合成相關(guān)材料的過(guò)程中,碰巧制造出了一些 UTe?,于是他們?cè)谳^低的溫度下對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試,看看是否遺漏了什么現(xiàn)象。結(jié)果,他們很快意識(shí)到,在他們手上攥著的,或許是對(duì)量子計(jì)算機(jī)非常特別的寶藏。

  接著,他們開(kāi)始用專業(yè)的工具來(lái)探索 UTe?,發(fā)現(xiàn)當(dāng) UTe?處于低溫時(shí)會(huì)變成超導(dǎo),其超導(dǎo)特性與那些稀有的超導(dǎo)體類似。不過(guò)那些超導(dǎo)體同時(shí)也是鐵磁性的,就像低溫永磁體一樣。而奇怪的是,UTe?本身并非鐵磁性的。因此從這個(gè)層面上看,可以說(shuō) UTe?從根本上就是一種全新的超導(dǎo)材料。

  除此之外,它對(duì)磁場(chǎng)有很強(qiáng)的抵抗力。一般情況下,超導(dǎo)性都會(huì)遭到磁場(chǎng)的破壞,但對(duì) UTe?來(lái)說(shuō),根據(jù)磁場(chǎng)的不同作用方向,UTe?可以承受高達(dá) 35 特斯拉的磁場(chǎng)。這是一個(gè)普通的冰箱磁鐵強(qiáng)度的 3500 倍,是大多數(shù)低溫拓?fù)涑瑢?dǎo)體所能承受的強(qiáng)度的許多倍。

  4.

  不過(guò)目前,研究人員還沒(méi)有最終確認(rèn) UTe?就是拓?fù)涑瑢?dǎo)體,但根據(jù)它所表現(xiàn)出的對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)不同尋常的抵抗力,它是拓?fù)涑瑢?dǎo)體的可能性很大。通過(guò)進(jìn)一步的探索,或許研究人員將可以更好地理解 UTe?的性質(zhì),甚至更好地理解超導(dǎo)本身,從而更好地了解應(yīng)該去哪里尋找尚未發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料——這是超導(dǎo)研究的一個(gè)主要目標(biāo)。
  (邯鄲網(wǎng)站建設(shè)

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