拓扑、超导、多铁、极化激元,这些前沿物理关键词你了解吗?

来源:公共事务部 发布时间:2019-10-19 作者:冯怡、张弛


大至宇宙,小至基本粒子,物理研究的是一切物质最基本的运动形式和规律。换句话说,物理洞察万物。

10月18日~19日,继化学研讨会之后,西湖大学理学院举办了2019西湖物理研讨会。18位物理学家带来的18场学术报告中,有不少聚焦基于量子力学的材料科学,他们从理论到实验,一起探讨前沿物理的正确打开方式。


会议合影


这次研讨会邀请的18位物理学家,都是活跃在物理研究前沿的专家学者。

来自北京大学、北京计算科学研究中心、南京大学、上海交通大学、浙江大学、中国科技大学、中国科学院半导体研究所、中国科学院物理研究所等国内知名高校和科研院所的13位专家学者,向大家介绍了最新的科研工作进展。

作为主办方的代表,西湖大学理论物理讲席教授Alexey Kavokin、青年PI朱伟、郑昌喜、刘仕、吴颉也在学术报告中,围绕各自的研究领域探讨前沿技术和当下所面临的挑战。


Alexey Kavokin从事的是极化激元相关研究


这是一场面向未来的会议。虽然量子世界的很多现象和特性仍复杂多变,虽然对很多人来说量子的应用仍是科幻作品中的狂想,但透过研讨会上的讨论,我们看到量子技术已经切实地映照在我们的生活之中。而科学家们还在努力拓展量子理论的边界,也许某一天,科幻中的神奇场景也会变成我们生活中的日常。


拓扑

张振宇 中国科技大学教授



拓扑量子计算将数学上优美的拓扑学与物理上的超导特性相结合,是一门很有趣的交叉学科。西湖大学有几位年轻老师从事的也是这方面的研究,做得很好。

大家可能都听过“量子计算机”这个概念,从理论上讲,它有着超越经典计算机极限的运算能力,所以不论是学界还是企业界,都对它抱有很大期待,全世界在这方面的投入也很大。

经典计算机中,信息量的最小单位叫“比特”;与此相对应,量子计算机也有其度量单位“量子比特”。现在对量子计算的研究中,有不同的材料方案来做量子比特的载体,基于拓扑材料的拓扑量子计算是其中一种,其优势是拓扑量子计算容错能力较强,为量子计算机从理论走向现实带来希望。

当然,目前来讲,光子也好,核自旋也好,拓扑也好,不同的技术方案仍处于相互竞争中,谁也不知道哪种方案会最终胜出。但一旦实现突破,在信息运算能力、能耗控制等方面都将有颠覆性的应用,对新的芯片设计也将带来新的挑战与机遇。


超导

王楠林 北京大学教授



探测和研究超导体物理性质的方法有很多,我主要是用光谱学的方法探测超导体的电荷动力学响应和基本物理性质,为理解超导发生的机理提供一些实验基础。

超导体有着非常独特的物理性质,如没有电阻、具有完全抗磁性,还有特殊的量子力学隧道效应,因而有重要以及潜在的广泛应用价值。

由于没有电阻,传输电流就没有能量损耗,所以很多应用是基于零电阻这个特性来开发的。现阶段商业上已经有了些重要的应用,比如医院里面用的磁共振成像设备(MRI),其中很重要的组成部分就是用超导体绕制的大口径超导磁体,用它来产生磁场,这个磁场通常很强,而如果用普通的导线绕制,那么它发热就会很厉害,能量损耗(耗电)就会很大。

另外,全世界各个大学和研究机构开展科学研究大量使用的强场磁体也基本上都是超导线材绕制的,一些大型科学设施如核聚变约束高温等离子体、粒子物理用的对撞机等也都广泛使用超导磁体。当然如果能用于电网输电更是意义重大。

超导体还有其它的性质及其应用,如完全抗磁性可用于制造磁悬浮列车;量子隧道效应可用于制造灵敏的磁强计,已广泛应用在科学研究和实验室中;隧道效应在制造量子计算机使用的器件方面也有很多发展空间。

超导体这么好,为什么不能大范围推广?这是因为它的使用还受到很多制约,比如许多适用超导材料的转变温度很低,即超导特性只能在非常低温度下才会显现,而冷却到低温需要消耗巨大的制冷成本。所以我们需要寻找超导转变温度更高的材料,只有理解了其基本物理特性和超导发生机理,那么后续的应用才能顺利展开。


铁电

刘俊明 南京大学教授



铁电体其实跟铁没多大关系,它只是与电有关。之所以叫铁电,不过是因为古人别字了,沿用至今而已。

王楠林老师研究的是让电荷流动没有任何损耗,所以叫超导体。我们要做的是在将电荷紧紧抓住、不让电荷流动的前提下使用电。一般的物质,电荷流动会产生电,但也会产生电阻发热,就会产生很多热量。在我们这个时代,很多高科技产品中太多热量的问题已经成为科技发展的死穴。我们研究的对象就是电介质材料,包括铁电体。我们探索它们在电荷不流动的前提下有什么用。

这样的材料一般都是很好的绝缘体。而绝缘体,比如陶瓷盘,即便带电我们也感觉不到,因为里面的正电荷和负电荷重合了。好的电介质或铁电材料,里面的正电荷中心和负电荷中心不重合,会形成一个电荷空间分布,我们叫电偶极子。这种电偶极子只能原地运动,不能流动,基本不会对人体产生影响,也不会产生很多热量。因此,基于铁电体的应用就没有热量太多这个难题。

那电介质或铁电材料有什么应用呢?最基本的应用就是大家都知道的电容器。电容器就是利用这个带电很多但电荷却不能流动的绝缘体材料做的。比如我们的手机,里面有万亿只微小的电容器,都是电介质或铁电体做的。为什么?因为这些材料电又多、又不会到处跑,电容可以非常大。这样的器件体积非常小、性能非常稳定,所以,我们的手机就可以很薄、很小、很强大。

可以说,如果没有电介质或铁电材料,手机、计算机,这些我们几乎一刻也离不开的电子产品都不可能存在。事实上,这些材料还有更大潜力,而深入理解它们的基础物理性质是进一步挖掘潜力的基础。


一天半的会期、18场的学术报告、每场40分钟,这是一场知识密集的会议,也是西湖大学理学院第一次举办物理方向的学术研讨会议。



“我们希望这次研讨会能成为大家互相交流、讨论、合作的平台。”西湖大学化学讲席教授、学术委员会主任、理学院执行院长邓力在大会致辞中说,“如果这些学术报告能碰撞出更多科研灵感,如果这场会议能让大家有所收获,便实现了我们办会的初衷。”