反铁磁拓扑量子材料项目研究人员合影。
反铁磁拓扑量子材料结构示意图。
据俄罗斯圣彼得堡大学官方网站（英文版）12月19日报道，该校物理学家率领的国际科学家团队近日在《自然》杂志发文称，他们发现了一种新材料——MnBi2Te4，它既是反铁磁体，又是拓扑绝缘体。这种单晶材料可以用于开发超高速记忆器、自旋电子学设备、量子计算机，甚至暗物质探测器。
多年来，圣彼得堡大学纳米系统电子和自旋结构实验室的Evgeny Chulkov教授团队一直在寻找反铁磁拓扑量子材料。现在，他们不仅从理论上预测了特殊单晶的存在，并且在德累斯顿技术大学和阿塞拜疆国家石油工业大学研究人员的协助下完成了单晶的实验室合成。
在铁磁体材料中，所有原子的磁矩都是一致的。原子磁矩会在材料中产生宏观磁场。反铁磁体的原子磁矩则是反向的，因此不会产生外部磁场。实际上，外部磁场可对电子元件产生负面影响。如果用反铁磁体材料制造设备，不仅可以消除外部磁场的不利影响，还能增强设备的远距离传输性能。此外，反铁磁体的共振频率为太赫兹级别，其速度是铁磁体的上千倍。
此次发现的MnBi2Te4单晶是一种拓扑绝缘材料。电子在其表面的行为与其在单晶内部的行为有本质区别。研究人员在圣彼得堡大学的实验中测试时发现，即使MnBi2Te4表面被破坏了，单晶特性也不会发生改变。这种稳定性对量子计算机而言非常关键：量子计算机的基本存储单元（量子位）具有易退相干性，根据量子定律，量子位会随着时间推移而失效。然而，如果科学家们能制造一种基于拓扑绝缘体的量子位，那么至少从理论上讲，这个问题是能够避免的。实验室副主任Aleksandr Shikin教授说：“MnBi2Te4单晶非常有趣，这是一种全新的材料。如果反铁磁连接层被拓扑绝缘体分隔开，我们就能利用反铁磁到二维铁磁的过渡打造出独特的磁性。”
研究人员还在MnBi2Te4单晶中成功观察到了量子反常霍尔效应。这对利用新材料开发电子设备奠定了基础。目前，研究人员已经提出了基于MnBi2Te4的拓扑自旋场效应晶体管模型。此外，研究人员指出，MnBi2Te4单晶的研究成果对基本粒子物理学的发展具有推动作用。拓扑绝缘体的发现有望成为实验检测马约阿那费米子（Majorana fermion）的前奏。理论研究表明，马约阿那费米子可作为拓扑绝缘体的准粒子，其拓扑可保护性是作为理想候选量子位的前提。实验室助理、研究人员Ilia Klimovskikh补充说：“我们的研究甚至有望促成暗物质探测器的开发。”
如此众多的机构参与到同一个凝聚态物质领域的项目中，这似乎有些不同寻常。然而，要想有效地解决现代固体科学中的复杂问题，已经离不开理论学家、化学家、物理学家和材料学家的共同努力。在未来，这种跨学科协同的趋势会越来越强。
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
责编：张梦
期刊来源：《自然》
期刊编号：0028-0836
原文链接：
https://english.spbu.ru/news/3313-a-discovery-of-physicists-from-st-petersburg-university-helps-the-development-of-a-topological-quantum-computer-and-dark-matter-detector
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