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科學(xué)家開(kāi)始尋求開(kāi)發(fā)用于探測(cè)量子材料的量子傳感器
來(lái)源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2020/11/2

科學(xué)家們說(shuō),要完全理解量子材料的隱秘秘密,需要一個(gè)人知道:只有能夠在量子原理上運(yùn)行的工具才能使我們到達(dá)那里。新的能源部研究中心將專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)這些工具。位于伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的量子傳感和量子材料中心匯集了來(lái)自UIUC,美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室,斯坦福大學(xué)和伊利諾伊州芝加哥大學(xué)的專(zhuān)家。圖片來(lái)源:Caitlin Kengle / UIUC

科學(xué)家們說(shuō),要完全理解量子材料的隱藏秘密,就需要一個(gè)人知道這一點(diǎn):只有能夠在量子原理上運(yùn)行的工具才能使我們到達(dá)那里。


能源部新的研究中心將專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)這些工具。位于伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的量子傳感和量子材料中心匯集了來(lái)自UIUC,美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室,斯坦福大學(xué)和伊利諾伊州芝加哥大學(xué)的專(zhuān)家。


他們將致力于開(kāi)發(fā)三種最先進(jìn)的量子傳感設(shè)備:掃描量子比特顯微鏡,利用糾纏電子對(duì)的光譜儀器,以及另一種利用SLAC X射線(xiàn)自由電子激光中的成對(duì)光子探測(cè)材料的儀器,直線(xiàn)加速器相干光源,最近在升級(jí)后重新打開(kāi)。


這些新技術(shù)將使研究人員能夠更詳細(xì)地了解量子材料為何會(huì)做奇怪的事情,從而為發(fā)現(xiàn)新的量子材料和發(fā)明更靈敏的行為探針?shù)伷搅说缆贰?/p>


這項(xiàng)工作將著重于理解非常規(guī)超導(dǎo)體背后的原子級(jí)過(guò)程,這些非導(dǎo)體超導(dǎo)體在相對(duì)較高的溫度下無(wú)電阻地導(dǎo)電。拓?fù)浣^緣體,沿其邊緣無(wú)損耗地傳輸電流;以及奇怪的金屬,它們?cè)诶鋮s時(shí)會(huì)超導(dǎo),但在更高的溫度下卻具有奇怪的特性。


UIUC中心的物理學(xué)教授彼得·阿巴蒙特(Peter Abbamonte)在新聞稿中說(shuō):“令人興奮的是,這個(gè)中心使我們有機(jī)會(huì)創(chuàng)造出一些真正的量子測(cè)量技術(shù)來(lái)研究與能量有關(guān)的量子材料!


Abbamonte說(shuō):“我們經(jīng)常陷入使用相同的舊測(cè)量的周期中-不是因?yàn)槲覀儾恍枰碌男畔⒒蛑R(shí),而是因?yàn)殚_(kāi)發(fā)技術(shù)既昂貴又費(fèi)時(shí)。” 他說(shuō),新的中心將使科學(xué)家能夠通過(guò)解決更大的問(wèn)題來(lái)推動(dòng)量子測(cè)量的發(fā)展。


量子材料之所以得名,是因?yàn)樗鼈兊钠娈愄匦栽从陔娮雍推渌袷亓孔恿W(xué)規(guī)則的現(xiàn)象的協(xié)同行為,而不是控制我們?nèi)粘I畹氖煜さ呐nD物理學(xué)定律。這些材料最終可能會(huì)對(duì)未來(lái)的能源技術(shù)產(chǎn)生巨大影響,例如,允許人們?cè)陂L(zhǎng)距離內(nèi)傳輸電力而基本上沒(méi)有任何損失,并使運(yùn)輸更加節(jié)能。


但是,量子材料可能包含奇特的,重疊的物質(zhì)狀態(tài)的混雜混合物,而這些物質(zhì)很難用常規(guī)工具進(jìn)行分類(lèi)。


SLAC和斯坦福大學(xué)六位研究人員之一在新中心合作的SLAC教授Thomas Devereaux說(shuō):“在量子世界中,所有事物都糾纏在一起,因此一個(gè)物體的邊界開(kāi)始與另一物體的邊界重疊! “我們將使用各種工具和技術(shù)來(lái)探測(cè)這種糾纏!


量子傳感器并不是什么新鮮事物。它們包括半個(gè)世紀(jì)前發(fā)明的用于探測(cè)極小的磁場(chǎng)的超導(dǎo)量子干擾設(shè)備或SQUID,以及結(jié)合了SQUIDS的超導(dǎo)過(guò)渡邊緣傳感器,用于探測(cè)天文學(xué),核不擴(kuò)散,材料分析和國(guó)土防御中的微小信號(hào)。


在基本級(jí)別上,它們通過(guò)將傳感器置于已知的量子狀態(tài)并使其與感興趣的對(duì)象進(jìn)行交互來(lái)進(jìn)行操作。相互作用改變了量子系統(tǒng)的狀態(tài),而測(cè)量系統(tǒng)的新?tīng)顟B(tài)則揭示了用傳統(tǒng)方法無(wú)法獲得的有關(guān)物體的信息。


在一種正在開(kāi)發(fā)的技術(shù)中,掃描量子比特顯微鏡,量子傳感器將由一個(gè)或多個(gè)量子比特組成,這些量子比特放置在探針的尖端并在材料表面上移動(dòng)。量子位是量子信息的基本單位,就像普通計(jì)算機(jī)內(nèi)存中在0和1之間來(lái)回翻轉(zhuǎn)的位一樣。但是,量子位以零和1狀態(tài)的疊加形式存在。掃描儀的量子位可能由單個(gè)氫原子組成,例如,其單個(gè)電子的自旋同時(shí)以向上,向下和所有可能的狀態(tài)存在。


斯坦福大學(xué)副教務(wù)長(zhǎng)兼研究部主任凱瑟琳·莫勒說(shuō):“您可以嘗試使量子位傳感器與正在研究的材料的量子態(tài)糾纏在一起,從而實(shí)際上可以感知到材料內(nèi)部的量子態(tài)糾纏! “如果我們能夠做到這一點(diǎn),那將真的很酷!


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