在量子材料中發現自組裝可調介面

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】由於在量子材料中發現了可以自行組裝的功能電子介面，設備工程的潛在革命可能正在進行。這說明了如果可以學會控制和利用的屬性介面的量子材料，這可能會導致新一代的設備超出我們目前的想像力，馬克Janoschek洛斯阿拉莫斯國家實驗室的物理學家，他與大衛洛斯阿拉莫斯的共同領導的國際研究小組的發現。研究結果發表在《自然物理》雜誌上。然而由於量子材料在化學上比傳統材料(如半導體)要複雜得多，所以製造乾淨的量子材料界面仍然是一個挑戰。

在量子材料中，一個自發形成的界面的圖形被顯示出來。在頂部和底部被研究材料的原子(綠點)攜帶一個磁矩(紅色箭頭)指向相反的方向。在這些層中，這些磁矩與周圍的電子(黑點)無關。中心層類似於一個電子介面，在這個界面中，原子不帶有磁矩，因為它們被周圍電子的磁矩(黑色箭頭)屏蔽。篩選效果通過一個藍色的篩選雲來突出顯示。在磁性和非磁性層中，原子內電子的散射是不同的，這可能被用於新的功能。圖片版權：Los Alamos National Laboratory

以量子力學定律而非經典力學為特徵的材料通常具有超導性。但廣泛的研究表明，在兩種材料之間的界面上，量子材料的顯著特性可以得到強烈的增強，或者可能出現全新的功能特性。材料介面的重要性的一個例子是晶體管，它的功能是基於通過光刻等技術人工設計的半導體界面產生的物理效應。晶體管是當今電子設備的基礎。量子材料的複雜性常以量子級上各種相互作用的競爭為特徵。這種複雜性同時也提供了一個解決方案，結合廣泛的中子能譜測量從橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的散裂中子源(SNS)，國家標準與技術研究院(NIST)中子研究中心(NCNR)，英國的中子和μ介子源(ISIS)和二在慕尼黑研究反應堆(Heinz-Mayer-Leibnitz納II)在德國中心的詳細理論建模。

在SNS中進行光譜測量的ORNL科學家Georg Ehlers說：中子光譜學測量在某些金屬中是至關重要的，在某些金屬中，各種相互作用之間的競爭可以通過一個狀態的自發形成來解決，在這種狀態下，電子和磁性的性質會周期性地交替出現。這種周期安排導致交替的材料層之間的界面，類似於工程異質結構的界面。然而本研究中發現的自發自組裝介面具有較大的優勢，它們本質上是清潔的，並且相關的參數，如界面厚度可以通過外部參數如磁場或溫度來調節。

由Fobes和該團隊確定的基本成分是幾種量子材料的共同特徵，並表明這些內在的和可調的介面可能更頻繁。學習控制這種內在量子介面的自組裝，反過來又有可能使設備設計發生革命性的變化，在這種設計中，設備並非是製造的，而是通過基礎原子尺度相互作用的量子工程自發形成的。此外這些設備可以使用外部參數進行調整和重新配置，可能允許設計高度自適應的電子設備。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Nature Physics

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：洛斯阿拉莫斯國家實驗室

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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