加州大学欧文分校和其他一些院校的物理学家们已经制造出一种新型二维量子材料，该材料在电学性能和磁学性能上的重大突破，有望使其成为未来量子计算机和其他先进的电子器件的基石。
上月发表在《Nature》、《Science Advances》、《Nature Materials》上的三个独立研究成果，探索了全新材料二维态背后的物理机制，并确定这些二维态能够将计算机的能力和速度推向新的高度。这些研究人员来自加州大学欧文分校、加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国立实验室，普林斯顿大学，复旦大学和马里兰大学。
这三项研究都是在极低的温度下进行的，并且传递信号的载流子都不是基于传统硅技术的电子，而是狄拉克费米子或马约拉纳费米子，这些粒子没有质量，能够以接近光速的速度运行。
加州大学欧文分校的物理学和天文学副教授夏晶，同时他也是上述论文中两篇的通讯作者，他表示：“最终，我们能将这些目前听起来天方夜谭般的物理理论带进现实生活中，制造出一些极其有用的东西。我们正在探索在100年内制造出拓扑量子计算机的可能性。”
这类研究的关键难点在于如何处理和分析尺寸极小的材料样本，这些样本的长和宽只有数微米，厚度则仅有两个原子。夏晶在加州大学欧文分校的实验室配备有基于光纤的萨格纳克干涉仪显微镜（目前仅存两台，另一台在斯坦福大学，是由夏晶组装，那时他还是斯坦福大学的研究生）。
夏晶称它为世界上最敏感的磁显微镜。打个比方来说，这样的显微镜可以用来在整个纽约市中找出一只特定的鸟的眼睛。
加州大学欧文分校的研究生、上述其中两篇论文的第一作者阿历克斯·斯特恩（Alex Stern）表示：“这台机器是用以此项研究的理想测量工具，这是直接观测材料磁性的最精确的方式。”
这两篇论文中一篇于4月26日发表在了《Nature》上，研究人员创造了一种叫做铬锗碲化合物（CGT）的新材料，并且使用萨格纳克干涉仪，在零下232.78摄氏度，详细地对该材料的微尺寸样品的磁性质进行了观察。
CGT很像石墨烯，它也是超薄的原子膜。石墨烯自被发现以来，一直被认为是下一代计算机和其他器件中的硅材料的潜在替代品，因为电子在其几乎“完美平坦”的表面上具有极快的传输速度。
但是这里存在一个问题：计算机的某些组件，如内存和存储系统都需要同时利用材料的电特性和磁特性。石墨烯只有优异的电特性却没有磁特性，而CGT则两者都有。
另外一篇发表在《Science Advances》的论文也使用了萨格纳克干涉仪，以精确研究在铋和镍发生接触的瞬间会发生什么，这项研究也在极低的温度（-268.89摄氏度）下进行。夏晶称，他们团队发现这两种金属的接触界面是一个奇异的超导体，并打破了时间反演对称。
夏晶表示：“你可以想象一下，如果时间倒转，一杯红茶突然就变成绿茶了，是不是很神奇？这是第一次在二维材料中观察到这样的现象。二维超导中的载流子是马约拉纳费米子，理论物理学家认为马约拉纳费米子对量子计算至关重要。现在的问题是如何在室温下实现二维超导，第三项研究有望克服低温的限制。”
2012年，夏晶的实验室向国防高等研究计划署递交了一个射频振荡器，主要材料是六硼化钐。六硼化钐的内部是绝缘体，但是却允许传输信号的狄拉克费米子在其二维表面自由运动形。
加州大学欧文分校的研究人员使用夏晶实验室的特殊装置（也是世界上唯一一台）对六硼化钐样品施加拉伸应变，最终在发表《Nature Materials》的论文中展示了结果——六硼化钐奇异的二维表面态在零下32.78摄氏度下也能保持稳定。
夏晶笑着说道：“信不信由你，这样的温度比加拿大的某些地区的气温要高，这项研究向着制造出室温条件下的量子计算机迈出了一大步。”
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编辑：Steven
连接：https://phys.org/news/2017-04-scientists-atomically-layered-thin-magnet.html
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