科技日报实习记者张佳欣

德国维尔茨堡—德累斯顿卓越集群ct-qmat合作团队在量子研究方面取得突破，他们首次在拓扑绝缘体中探测到激子（电中性准粒子）。这一发现归功于拓扑绝缘子发源地维尔茨堡的智能材料设计，为新一代光驱动计算机芯片和量子技术铺平了道路。研究发表在最近的《自然·通讯》杂志上。

拓扑绝缘体铋烯上的三个激子（由一个电子和一个电子空穴组成的对）。由于蜂窝状原子结构，电子只能沿着边缘流动。图片来源：物理学家组织网

拓扑绝缘体能实现电流的无损传导和强大的信息存储，有望成为将来量子技术新材料的候选。往常使用拓扑绝缘子的概念是基于施加电压来操纵电流，这是从传统计算机芯片采用的一种办法。但是，假如某种奇妙材料是基于电中性粒子（既不带正电荷也不带负电荷），那么电压就不再起作用。于是，假如要产生这种量子现象，就需要其他工具，例如光。

研究人员之前使用的材料是铋烯，铋烯的重原子使其成为拓扑绝缘体，可沿边缘无损导电。现在，研究团队首次在拓扑绝缘体中产生了激子。

量子物理学家拉尔夫·克莱森教授讲：“我们第一次在拓扑绝缘体中产生并实验检测被称为激子的准粒子。于是，我们制造了一种新的固态物理工具包，可用光学操纵电子。这一原理可能成为一种新型电子元件的基础。”

激子是一种惟独在某些类型的量子物质中才能产生的激发电子态。“我们经过在惟独一层原子的薄膜上施加短光脉冲来产生激子。”克莱森解释讲，其不同寻常之处在于，激子在拓扑绝缘体中被激活。这为拓扑绝缘体开发了一条全新的研究路线。

近10年来，人们一直在研究其他二维半导体中的激子，并将其作为光驱动元件的信息载体。克莱森讲：“光和激子之间的相互作用意味着我们能够在这类材料中看到新的现象。例如，这一原理可用来产生量子比特。”

量子比特是量子芯片的计算单位。使用光而不是电压可使量子芯片的处理速度快得多。于是，最新发现为开辟将来的量子技术和微电子领域的新一代光驱动打造设备铺平了道路。

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单层铋烯通过复杂材料设计，能成为拓扑绝缘体，可在室温下无损导电，这是现时期石墨烯都无法做到的。现在，科学家在拓扑绝缘体中产生了激子，将人们的注意力也转向了准粒子本身。那么，铋烯的拓扑性质能否转移到激子上？假如能科学地证明这一点，将是下一个里程碑式突破，甚至能够为我们构建出拓扑量子比特。

来源：中国科技网