克莱姆森大学开发新型量子材料

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克莱姆森大学（2024USNews美国大学排名：86）的研究人员正在应对新型量子材料设计的挑战。克莱姆森大学化学系助理教授Thao Tran将开发新型量子信息科学材料比作指挥交响乐，强调了连贯性的重要性。在固态量子计算中，信息的计算和传输需要是有意图、可预测和可控的。研究生Xudong Huai与国内外科学家合作，开发了一种新的非中心对称三角晶格磁体CaMnTeO6，这种材料具有强量子涨落特性。量子涨落是指粒子在量子层面的不可预测行为，特别是在具有特定几何排列的材料中。Huai解释说，选择钙、锰、碲和氧是基于它们的核自旋和稳定同位素，并希望磁体的结构具有几何挫折性，这有助于量子动态。研究团队的目标是找到一个“甜蜜点”，在适当的条件下实现量子涨落，从而实现粒子的连贯量子运动。新材料展示了竞争性磁相互作用和非线性光学响应，能够生成连贯光子。Tran表示，这是一种设计策略，旨在有意图地设计出有意义的材料，而不是靠运气。该研究有望推动自旋电子学、通信、气候变化模型和先进医疗成像等技术的发展。详细研究成果发表在《Advanced Materials》期刊上。

克莱姆森大学的研究人员在设计新型量子材料方面取得了重要进展。该研究由克莱姆森大学化学系助理教授Thao Tran领导，旨在开发用于量子信息科学的先进材料。研究团队包括博士生Xudong Huai和两位前克莱姆森大学学生，他们与来自波兰、菲律宾、乔治亚理工学院、休斯顿大学、犹他大学以及两个美国联邦实验室的科学家合作，成功开发了一种新型非中心对称三角晶格磁体CaMnTeO6。该材料展示了强量子涨落和非线性光学响应，能够生成相干光子。研究人员选择钙、锰、碲和氧作为材料成分，基于其核自旋和稳定同位素，并设计了几何受挫的磁体结构，以实现量子动态。研究结果表明，这种新材料在自旋电子学、通信、气候变化模型和医学成像等技术领域具有广泛应用前景。研究成果发表在《Advanced Materials》期刊上，并得到了Arnold和Mabel Beckman基金会的支持。

量子通信网络依赖于包括基于单光子的量子密钥分发（QKD）在内的量子密码协议。QKD协议安全性的一个关键因素是光子数相干性（PNC），即真空态和单光子Fock态之间的相位关系。为了获得具有QKD协议所需特性的单光子，需要选择最佳的量子发射器激发方案。我们考虑了半导体量子点，它们已知能够按需生成高纯度和高不可区分性的单光子。通过结合量子点的双光子激发和刺激脉冲，我们展示了具有可控PNC的高质量单光子的生成。主要的调节手段是脉冲面积，可以完全控制PNC从最小到最大，而在没有刺激脉冲的情况下，我们的设置中所有脉冲面积的PNC都可以忽略不计。我们的方法为量子网络中的安全通信提供了一条可行的途径。

反铁磁体包含有序的原子和分子晶格，其磁矩总是与邻居的磁矩完全相反。这些材料通过其原子和分子的量子涨落驱动，转变为其他更无序的量子物质状态或“相”。然而，到目前为止，这一过程的确切性质尚未得到充分探索。通过发表在《欧洲物理杂志B》上的新研究，日本冈山大学的西山义弘发现，这种转变发生的边界性质取决于反铁磁体晶格排列的几何形状。西山的发现可能使物理学家能够在材料和量子物理的更广泛背景下应用反铁磁体。他的计算涉及材料的“保真度”，在这种情况下，指的是其相互作用的晶格成分的基态之间的重叠程度。此外，保真度“敏感性”描述了这种重叠在外加磁场作用下的影响程度。由于敏感性由量子涨落驱动，因此可以在统计力学的语言中表达，描述宏观观察如何从许多微观振动的综合影响中产生。这使其成为探测反铁磁体相变如何由量子涨落驱动的有用工具。利用先进的数学技术，西山计算了“虚拟”磁场如何影响敏感性，这些磁场虽然不影响物理世界，但对于描述相变的统计力学至关重要。通过将这一技术应用于蜂窝晶格排列的反铁磁体，他揭示了有序的反对齐磁矩与无序状态之间的转变发生在一个与方形晶格相同转变相关的边界形状不同的边界上。通过阐明晶格成分的几何排列如何对这一转变点产生微妙影响，西山的工作可能推进物理学家对反铁磁体统计力学的理解。

在量子材料的研究中，连贯性是一个至关重要的概念。连贯性不仅仅是指材料内部的原子和分子如何排列，更是指这些排列如何影响材料的整体性能。在固态量子计算中，信息的计算和传输需要是有意图、可预测和可控的。克莱姆森大学的研究团队通过开发新型量子材料，展示了如何通过精确设计和控制材料的几何结构来实现这一目标。Thao Tran将这种设计过程比作指挥交响乐，强调了每一个元素的连贯性和协调性的重要性。

量子涨落是量子材料研究中的另一个关键概念。量子涨落是指粒子在量子层面的不可预测行为，特别是在具有特定几何排列的材料中。通过选择具有特定核自旋和稳定同位素的元素，研究人员能够设计出具有几何挫折性的磁体结构，从而实现量子动态。Xudong Huai和他的团队通过开发CaMnTeO6这种新型材料，展示了如何利用量子涨落来实现粒子的连贯量子运动。这种材料不仅展示了强量子涨落特性，还具有非线性光学响应，能够生成连贯光子。

这种新材料的潜在应用前景非常广泛。首先，在自旋电子学领域，CaMnTeO6的强量子涨落特性和非线性光学响应可以用于开发新型自旋电子器件。这些器件可以在更高的速度和更低的能耗下进行信息处理和传输。其次，在通信领域，CaMnTeO6的连贯光子生成能力可以用于开发新型量子通信技术，特别是量子密钥分发（QKD）协议。QKD协议依赖于光子数相干性（PNC），而CaMnTeO6的非线性光学响应可以提供高质量的单光子，从而提高量子通信的安全性和可靠性。

此外，CaMnTeO6在气候变化模型和医学成像等领域也具有潜在应用。在气候变化模型中，量子材料的高精度和高灵敏度可以用于更准确地模拟和预测气候变化。在医学成像中，CaMnTeO6的非线性光学响应可以用于开发新型成像技术，从而提高成像的分辨率和准确性。

总的来说，克莱姆森大学的研究团队通过开发新型量子材料，展示了如何通过精确设计和控制材料的几何结构来实现连贯性和量子涨落。这种新材料不仅在自旋电子学、通信、气候变化模型和医学成像等领域具有广泛应用前景，还为量子材料的研究提供了新的思路和方法。通过进一步的研究和开发，我们有望看到更多基于量子材料的创新技术和应用，从而推动科学技术的进步和社会的发展。