DAOrayaki | task| Scientists discover new properties of magnetism that could change our computers

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Title: DAOrayaki | QT/ Scientists discover new properties of magnetism that could change our computers  Deadline: 6/2/2022   Committee Decision: 6/2/2022-6/5/2022   Description: English to Chinese; 5/31/2022-6/2/2022 is the creator's translation time, that is, creators need to submit before 6/2 ;6/2/2022-6/5/2022 is the committee review and voting time.   link: https://medium.com/paradigm-fund/qt-scientists-discover-new-properties-of-magnetism-that-could-change-our-computers-58c617f3378a Bounty：150u

[Zhixuan0318]

Tan Zhi Xuan#7032 will do this bounty

[kevinup8]

QT/科学家发现了可以改变我们计算机的磁性新特性 TL;博士 通过新的研究揭示了磁性的一个基本特性。这一发现可能是开发新一代功能强大的计算机的关键。 科学家们一直在不懈地努力了解高温超导性的基本机制，最终目标是设计和设计接近室温的超导新量子材料。研究人员证实，硅纳米粒子会被超流氦中的涡流吸引。他们的模拟使他们能够可视化涡线重组的过程。这项工作可能会导致量子计算和光谱学的改进。 著名的双缝实验表明，粒子可以同时在两条路径上传播——但只能通过观察大量粒子并统计分析结果。现在已经设计了一个双路径干涉实验，只需要测量一个特定的粒子来证明它在两条路径上传播。 物理学家的计算探测工作已经证实铈锆烧绿石是一种 3D 量子自旋液体，一种固体材料，其中的量子纠缠和原子的几何排列会导致电子在量子磁态之间波动，无论它们变得多冷。 在单个量子水平上控制机械运动的系统正在成为一个有前途的量子技术平台。新的实验工作现在确定了如何在不破坏量子态的情况下测量此类系统的量子特性——这是挖掘机械量子系统全部潜力的关键因素。 一个只有 51 个带电原子的量子系统可以呈现超过 2 万亿个不同的状态。计算系统的行为对于量子模拟器来说是小菜一碟。但验证结果几乎是不可能的，即使使用今天的超级计算机也是如此。一个研究小组现在已经展示了如何使用 18 世纪制定的方程式来验证这些系统。 基础物理学前沿工作的一个主要障碍是无法在实验室环境中测试前沿理论。但是最近的一项发现为科学家打开了大门，让他们看到以前只能在理论上理解或在科幻小说中表现出来的想法。 一项理论研究表明，如果满足正确的条件，远程纠缠确实可以在绝对零以上的温度下生存。 一个新的材料数据库揭示了超过 90,000 种具有持久电子特性的已知“拓扑”材料。 和更多！

量子计算市场 根据最近的市场研究报告“具有 COVID-19 影响的量子计算市场对产品（系统和服务）、部署（本地和基于云）、应用程序、技术、最终用途行业和地区的影响——到 2026 年的全球预测'，由 MarketsandMarkets 发布，量子计算市场预计将从 2021 年的 4.72 亿美元增长到 2026 年的 17.65 亿美元，复合年增长率为 30.2%。量子计算在银行和金融领域的早期采用预计将推动全球市场的增长。促进量子计算市场增长的其他关键因素包括各国政府增加投资以开展与量子计算技术相关的研发活动。几家公司正专注于在 COVID-19 之后采用 QCaaS。反过来，这有望促进量子计算市场的增长。然而，稳定性和纠错问题预计将抑制市场的增长。

根据《[量子计算市场研究报告：按产品、部署类型、应用、技术、行业——行业份额、增长、驱动因素、趋势和到 2030 年的需求预测]》报告，到 2030 年，量子计算市场预计将达到 649.88 亿美元。在预测期内，机器学习 (ML) 有望在所有应用类别中以最高的复合年增长率取得进展，因为量子计算正在集成到 ML 中以改进后者的用例。

最新研究 近伊辛铁磁链中的磁布洛赫振荡和畴壁动力学

作者：Ursula B. Hansen、Olav F. Syljuåsen、Jens Jensen、Turi K. Schäffer、Christopher R. Andersen、Martin Boehm、Jose A. Rodriguez-Rivera、Niels B. Christensen、Kim Lefmann 在《自然通讯》中

我们的电子产品无法再缩小，并处于过热的边缘。但在哥本哈根大学的一项新发现中，研究人员发现了磁性的一个基本特性，这可能与开发新一代功能更强大、温度更低的计算机有关。

以电子为信息传输载体的计算机组件的持续小型化已成为挑战。取而代之的是，可以使用磁力，从而跟上更便宜和更强大的计算机的发展。这是哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所 (NBI) 科学家的观点之一。

[kevinup8]

“计算机的功能包括通过微芯片发送电流。虽然数量很小，但电流不仅会传输信息，还会导致芯片升温。当您拥有大量紧密包装的组件时，热量就会成为问题。这就是为什么我们已经达到了可以缩小组件的极限的原因之一。基于磁力的计算机将避免过热问题，”NBI 凝聚态物理学的 Kim Lefmann 教授说。

“我们的发现并不是制造基于磁性的计算机的直接秘诀。相反，如果你想设计这样的计算机，我们已经披露了你需要控制的基本磁性。”

要掌握这一发现，需要知道磁性材料不一定是均匀取向的。换句话说，具有磁北极和南极的区域可能并存。这些区域被称为域，北极域和南极域之间的边界是域壁。虽然畴壁不是物理对象，但它仍然具有几个类似粒子的特性。因此，它是物理学家所说的准粒子的一个例子，即类似于粒子的虚拟现象。

“众所周知，人们可以通过施加磁场来移动畴壁的位置。最初，墙壁将与受到重力作用并加速直至撞击下方表面的物理对象做出类似反应。然而，其他定律也适用于量子世界，”Kim Lefmann 解释道。

“在量子层面上，粒子不仅是物体，还是波。这也适用于准粒子，例如畴壁。波特性意味着当壁与周围的原子相互作用时，加速度会减慢。很快，加速将完全停止，墙壁的位置将开始摆动。”

电子也有类似的现象。在这里，它被称为布洛赫振荡，以美国瑞士物理学家和诺贝尔奖获得者费利克斯布洛赫命名，他在 1929 年发现了它。1996 年，瑞士理论物理学家提出，与布洛赫振荡平行的可能存在于磁性中。现在——四分之一个多世纪后——Kim Lefmann 和他的同事们设法证实了这一假设。研究小组研究了磁性材料 CoCl2 ∙ 2D2O 中畴壁的运动。

“我们早就知道，有可能验证这个假设，但我们也知道这需要使用中子源。独特的是，尽管没有带电，中子也会对磁场做出反应。这使它们成为磁性研究的理想选择，”Kim Lefmann 说。 中子源是大型科学仪器。在全球范围内，只有大约 20 个设施存在，并且对波束时间的竞争非常激烈。

“我们分别在美国的 NIST 和法国的 ILL 度过了一段时光。幸运的是，随着 ESS（European Spallation Source，ed.）在瑞典隆德投入使用，磁研究的条件将大大改善。由于丹麦是该设施的共同所有者，不仅我们获得光束时间的机会会变得更好。结果的质量将提高大约 100 倍，因为 ESS 将是一个极其强大的中子源，”Kim Lefmann 说。

为了澄清，他强调即使涉及量子力学，基于磁性的计算机也不会是一种量子计算机： “未来，量子计算机有望解决极其复杂的任务。但即便如此，我们仍然需要传统计算机来进行更普通的计算。这就是基于磁力的计算机可能成为比当前计算机更好的相关替代品的地方。”

光猝灭的高温超导体中增强的电荷密度波相干性 S. Wandel、F. Boschini、EH da Silva Neto 等人在科学

科学家们一直在不懈地努力了解高温超导性的基本机制，最终目标是设计和设计接近室温的超导新量子材料。

高温超导是研究量子材料的研究人员的圣杯。超导体在不消耗能量的情况下导电，有望彻底改变我们的能源和电信电力系统。然而，超导体通常在极低的温度下工作，需要精密的冷冻机或昂贵的冷却剂。出于这个原因，科学家们一直在不懈地努力了解高温超导的基本机制，最终目标是设计和设计接近室温的超导新量子材料。

法国国立科学研究所 (INRS) 教授 Fabio Boschini 和北美科学家研究了超导体钇钡铜氧化物 (YBCO) 的动力学，该超导体通过时间分辨共振在高于正常温度的情况下提供超导性直线加速器相干光源 (LCLS) 自由电子激光器的 X 射线散射，SLAC（美国）。在这项新研究中，研究人员已经能够追踪 YBCO 中的电荷密度波如何对由强激光脉冲引起的超导突然“淬火”作出反应。

“我们正在了解电荷密度波——自组织电子表现得像水中的涟漪——和超导性在超快时间尺度上在纳米尺度上相互作用。超导的出现和电荷密度波之间有着非常深的联系，”该项目的联合研究员、斯图尔特布鲁森量子物质研究所 (Blusson QMI) 的附属研究员 Fabio Boschini 说。

“直到几年前，研究人员都低估了这些材料内部动力学的重要性，”加利福尼亚州 SLAC 国家加速器实验室的首席研究员兼研究员 Giacomo Coslovich 说。“在这次合作走到一起之前，我们真的没有工具来评估这些材料中的电荷密度波动力学。只有像我们这样的团队共享资源，以及通过使用自由电子激光器来提供对物质动力学特性的新见解，才有可能看到电荷顺序的演变。”

由于对高温超导体的动态相互作用有了更好的了解，研究人员乐观地认为，他们可以与理论物理学家合作开发一个框架，以便更细致地了解高温超导是如何出现的。

目前的工作来自几个领先研究中心和光束线的研究人员的合作。Boschini 说：“我们于 2015 年底开始进行第一次实验，首次对加拿大光源的材料进行了表征。随着时间的推移，该项目涉及到许多 Blusson QMI 研究人员，例如我指导和介绍这项工作的孟兴娜。她是数据分析不可或缺的一部分。”

“这项工作很有意义，原因有很多，但它也真正展示了建立持久、有意义的合作和关系的重要性，”Na 说。“有些项目需要很长时间，这要归功于 Giacomo 的领导力和坚持不懈的精神。”

该项目将至少三代科学家联系在一起，其中一些科学家在他们的博士后生涯和教职岗位上取得进展。研究人员很高兴能够通过使用光作为光学旋钮来控制超导的开关状态来扩展这项工作。

[kevinup8]

观察远程量子磁体中的涌现流体动力学 作者：MK Joshi、F. Kranzl、A. Schuckert、I. Lovas、C. Maier、R. Blatt、M. Knap、CF Roos 在科学

乍一看，一个由 51 个离子组成的系统似乎很容易管理。但是，即使这些带电原子只是在两种状态之间来回改变，结果也是系统可以采取的超过 2 万亿（1015）个不同的排序。

这种系统的行为几乎不可能用传统计算机来计算，特别是因为引入系统的激励可能会不规则地传播。激发遵循称为 Lévy Flight 的统计模式。这种运动的一个特点是，除了预期的较小跳跃外，还会发生明显较大的跳跃。这种现象也可以在蜜蜂的飞行和股市异常剧烈的波动中观察到。

虽然模拟复杂量子系统的动力学对于传统的超级计算机来说是一项非常艰巨的任务，但对于量子模拟器来说，这项任务是小菜一碟。但是，如果没有执行相同计算的能力，如何验证量子模拟器的结果呢？对量子系统的观察表明，至少可以用伯努利兄弟在 18 世纪开发的用于描述流体行为的方程来表示此类系统的长期行为。

为了验证这一假设，作者使用了一个模拟量子磁体动力学的量子系统。他们能够用它来证明，在以量子力学效应为主的初始阶段之后，该系统实际上可以用流体动力学中熟悉的类型的方程来描述。此外，他们表明，描述蜜蜂使用的搜索策略的相同 Lévy Flight 统计数据也适用于量子系统中的流体动力学过程。

量子模拟器是在奥地利科学院因斯布鲁克大学校园的量子光学和量子信息研究所 (IQOQI) 建造的。“我们的系统通过使用离子的两个能级来表示分子磁体的北极和南极，从而有效地模拟了量子磁体，” IQOQI 因斯布鲁克科学家 Manoj Joshi 说。

“我们最大的技术进步是我们成功地单独处理了 51 种离子中的每一种，”Manoj Joshi 说。“因此，我们能够研究任何所需数量的初始状态的动力学，这对于说明流体动力学的出现是必要的。”

“虽然量子比特的数量和量子态的稳定性目前非常有限，但我们今天已经可以利用量子模拟器的巨大计算能力来解决一些问题，”技术大学集体量子动力学教授 Michael Knap 说慕尼黑。

“在不久的将来，量子模拟器和量子计算机将成为研究复杂量子系统动力学的理想平台，”Michael Knap 解释说。“现在我们知道，在某个时间点之后，这些系统遵循经典流体动力学定律。任何严重的偏差都表明模拟器无法正常工作。”

量化干涉仪路径中存在的中子 作者：Hartmut Lemmel、Niels Geerits、Armin Danner、Holger F. Hofmann、Stephan Sponar 在物理评论研究中

双缝实验是量子物理学中最著名的，也可能是最重要的实验：单个粒子被射向一个有两个开口的墙壁，在这两个开口后面有一个探测器测量粒子到达的位置。这表明粒子不会像经典物体那样沿着非常特定的路径移动，而是同时沿着多条路径移动：每个单独的粒子都通过左侧和右侧开口。

然而，通常这只能通过一遍又一遍地进行实验并在最后评估许多粒子检测的结果来证明。在 TU Wien，现在已经有可能开发出一种可以纠正这一缺陷的双向干涉实验的新变体：在特定位置测量单个中子 - 由于复杂的测量设置，这个单个测量证明已经知道粒子同时沿着两条不同的路径移动。甚至可以确定中子在两条路径之间的分布比例。因此，无需求助于统计论证，就可以证明量子叠加现象。

“在经典的双缝实验中，在双缝后面会产生干涉图案，”TU Wien 原子研究所的 Stephan Sponar 解释道。“粒子同时通过两个开口以波的形式移动，然后两个部分波相互干扰。在某些地方它们相互加强，在另一些地方它们相互抵消。”

在非常特定的位置测量双缝后面的粒子的概率取决于这种干涉图案：在放大量子波的地方，测量粒子的概率很高。在量子波被抵消的地方，概率很低。当然，通过观察单个粒子是无法看到这种波分布的。只有当实验重复多次时，波形才会逐点、逐粒地变得越来越容易辨认。

“因此，单个粒子的行为是根据只有通过对许多粒子的统计调查才能看到的结果来解释的，”开发了实验背后理论的广岛大学的 Holger Hofmann 说。“当然，这并不完全令人满意。因此，我们考虑了如何基于单个粒子的检测来证明双向干涉现象。”

这是在格勒诺布尔 ILL 中子源的中子的帮助下实现的：中子被发送到一个晶体上，该晶体将中子的量子波分成两个部分波，与经典的双缝实验非常相似。两个部分中子波沿着两条不同的路径运动并再次重新组合。它们相互干扰，然后被测量。

然而，除此之外，还利用了中子的另一个特性：它的自旋——粒子的角动量。它会受到磁场的影响，然后中子的角动量指向不同的方向。如果中子的自旋只在两条路径中的一条上旋转，那么之后就可以确定它走的是哪条路径。然而，由于量子力学的互补性，干涉图案也随之消失。

“因此，我们稍微旋转了中子的自旋，”当前出版物的第一作者 Hartmut Lemmel 解释道。“那么干涉图案仍然存在，因为你只能获得关于路径的非常少的信息。为了仍然获得精确的路径信息，这种“弱”测量在常规实验中会重复多次。然而，人们只能获得关于整个中子集合的统计陈述，而对每个单独的中子几乎无能为力。”

如果在两个中子分波合并后，使用另一个磁场再次使自旋返回，情况就不同了。通过反复试验，可以确定将叠加状态的自旋转回原始方向所需的旋转角度。这种旋转的强度是衡量中子在每条路径中存在的强度的指标。如果它只采用自旋旋转的路径，则需要旋转完整的角度才能将其旋转回来。如果它只采取了另一条路径，则根本不需要反向旋转。在使用特殊的非对称分束器进行的实验中，结果表明，中子在一条路径中占三分之一，在另一条路径中占三分之二。

通过详细的计算，该团队能够表明：在这里，人们不仅检测到所有测量中子的平均值，而且该声明适用于每个单独的中子。确定最佳旋转角度需要许多中子，但一旦设置好，由此确定的路径存在就会应用于检测到的每一个中子。

“我们的测量结果支持经典量子理论，”Stephan Sponar 说。“新颖之处在于，人们不必诉诸令人不满意的统计论据：在测量单个粒子时，我们的实验表明它必须同时走两条路径，并明确量化各自的比例。”

这排除了试图用局部粒子解释双缝实验的量子力学的替代解释。

[kevinup8]

电路量子声动力学强色散区的奇偶校验 作者：Uwe von Lüpke、Yu Yang、Marius Bild、Laurent Michaud、Matteo Fadel、Yiwen Chu 在自然物理学

在单个量子水平上控制机械运动的系统正在成为一个有前途的量子技术平台。新的实验工作现在确定了如何在不破坏量子态的情况下测量此类系统的量子特性——这是挖掘机械量子系统全部潜力的关键因素。

在考虑量子力学系统时，可能会想到单光子和隔离良好的离子和原子，或者电子在晶体中传播。在量子力学的背景下，更奇特的是真正的机械量子系统。也就是说，大质量的物体，其中机械运动（如振动）被量化。在一系列开创性的实验中，已经在机械系统中观察到了典型的量子力学特征，包括能量量子化和纠缠。然而，为了将此类系统用于基础研究和技术应用，观察量子特性只是第一步。下一个是掌握机械量子物体的处理，以便可以控制、测量它们的量子状态，并最终在类似设备的结构中加以利用。苏黎世联邦理工学院固体物理实验室的褚一文团队现在已经在这个方向上取得了重大进展。他们报告了在不破坏宝贵的量子态的情况下从机械量子系统中提取信息。这一进步为量子纠错等应用铺平了道路。

ETH 的物理学家使用一块厚不到半毫米的优质蓝宝石板作为他们的机械系统。在它的顶部有一个薄的压电换能器，它可以激发声波，声波在底部反射，因此延伸到板内定义明确的体积。这些激发是大量原子的集体运动，但它们是量子化的（以称为声子的能量单位），并且至少在原则上可以以与原子的量子态非常相似的方式进行量子操作，光子和电子都可以。有趣的是，可以将机械谐振器与其他量子系统，特别是与超导量子位连接起来。后者是微型电子电路，其中电磁能状态被量化，它们目前是构建可扩展量子计算机的领先平台之一。与超导电路相关的电磁场使量子位能够耦合到声谐振器的压电换能器，从而耦合到其机械量子态。

在这种混合量子比特谐振器设备中，可以将两个世界中最好的结合起来。具体来说，超导量子比特高度发达的计算能力可以与声学模式的鲁棒性和长寿命同步使用，可以用作量子存储器或传感器。然而，对于这样的应用，仅仅耦合量子比特和谐振器状态是不够的。例如，直接测量谐振器中的量子态会破坏它，使重复测量变得不可能。相反，需要的是能够以更温和、更可控的方式提取有关机械量子态的信息。

Chu 的博士生 Uwe von Lüpke、Yu Yang 和 Marius Bild 与 Branco Weiss 的同事 Matteo Fadel 合作，在学期项目学生 Laurent Michaud 的支持下，演示了这种所谓的量子非破坏测量的协议，现在已经实现了。在他们的实验中，测量期间超导量子比特和声谐振器之间没有直接的能量交换。相反，量子比特的特性取决于声学谐振器中声子的数量，无需直接“接触”机械量子态——想想特雷门，一种音高取决于位置的乐器不与乐器进行物理接触的音乐家的手。

创建一个混合系统，其中谐振器的状态反映在量子比特的频谱中，这是极具挑战性的。对于量子态在量子位和谐振器中可以维持多长时间，在它们由于外部的缺陷和扰动而消失之前，存在严格的要求。因此，该团队的任务是延长量子位和谐振器量子态的寿命。他们通过一系列改进取得了成功，包括仔细选择所使用的超导量子比特类型，并将混合器件封装在超导铝腔中以确保紧密的电磁屏蔽。

在成功地将他们的系统推入所需的运行状态（称为“强色散状态”）后，该团队能够在以不同幅度激发声谐振器后轻轻提取声子数分布。此外，他们展示了一种在一次测量中确定谐振器中声子数量是偶数还是奇数的方法——所谓的奇偶性测量——而无需了解有关声子分布的任何其他信息。在许多量子技术应用中，获得如此非常具体的信息（但没有其他信息）是至关重要的。例如，奇偶校验的变化（从奇数到偶数的转变，反之亦然) 可以表示错误已影响量子态并且需要进行更正。当然，这里重要的是要纠正的状态不被破坏。

然而，在这种纠错方案的实现成为可能之前，混合系统的进一步细化是必要的，特别是为了提高操作的保真度。但到目前为止，量子纠错并不是唯一的用途。科学文献中有大量令人兴奋的关于量子信息协议的理论建议，以及受益于声量子态存在于大质量物体中的基础研究。例如，这些为探索大型系统极限中的量子力学范围以及利用机械量子系统作为传感器提供了独特的机会。

[kevinup8]

激光烧蚀实现量化涡旋重联的可视化 作者：Yosuke Minowa、Shota Aoyagi、Sosuke Inui、Tomo Nakagawa、Gamu Asaka、Makoto Tsubota、Masaaki Ashida 在科学进展中

研究人员通过使用激光烧蚀向超流氦中喷射硅纳米颗粒，观察到了在超流氦中形成的涡流。在观察到硅纳米粒子的光散射模式后，大阪城市大学的科学家们对量子涡旋动力学进行了大规模模拟，证实了观察到的纳米粒子漩涡和环是由量子涡旋引起的。这项工作为超流氦的其他量子特性的光学研究开辟了新的可能性，例如由于光和硅纳米颗粒之间的强相互作用而对量子化涡旋的光学操纵。

量子力学的规则可能看起来很陌生。粒子可以像波一样起作用，波可以像粒子一样起作用。奇怪的量子行为通常只在很小的范围内被发现。然而，当某些材料（如氦 4）被冷却到非常低的温度时，即使在宏观尺度上，粒子的“波纹”也会产生明显的影响。

“过冷”氦是玻色-爱因斯坦凝聚的一个例子，其中代表原子的波重叠，直到整个流体像单个大质量粒子一样。这个过程没有经典的类似物，并且是测试量子力学理论的有用系统，因为在氦 4 中向超流体的转变发生在相对容易接近的温度下。然而，仍然需要能够可视化超流体的运动。

现在，一个研究小组已经使用硅纳米粒子来帮助可视化超流氦的特征，类似于跳过河流的石头，以帮助可视化水的流动。超流氦的特殊性质之一是任何旋转运动都只能以量子化涡旋的形式发生。这些是微小的、离散的漩涡，每个漩涡都带有固定量的角动量。科学家们使用纳米粒子“石头”来研究涡流重新连接的过程，其中涡流线合并并交换它们的部分。因为光从纳米颗粒上散射出来，它们被吸引的涡流线清晰可见。

大阪城市大学研究员 Makoto Tsubota 带领团队模拟观察到的硅纳米粒子的行为。“我们对符合实验情况的量化涡旋进行了数值模拟。模拟的涡旋与观测中的相同！该协议强烈支持我们实际观察到的是量子化涡旋的运动，” Tsubota 教授惊呼道。

此外，Tsubota 教授指出，“量子化涡旋是拓扑缺陷的典型例子。拓扑缺陷出现在各种系统中，如超流氦、冷原子、超导体、液晶、宇宙学等。目前的发现将为研究这些不同系统中的拓扑缺陷铺平新的道路。

[kevinup8]

探查烧绿石磁铁 Ce2Zr2O7 中奇异的量子自旋流动性 作者：Anish Bhardwaj、Shu Zhang、Han Yan、Roderich Moessner、Andriy H. Nevidomskyy、Hitesh J. Changlani 在 npj 量子材料

美国和德国物理学家的计算探测工作已经证实铈锆烧绿石是一种 3D 量子自旋液体。

尽管有这个名字，但量子自旋液体是一种固体材料，其中量子纠缠和原子的几何排列阻碍了电子相互之间进行磁性排序的自然趋势。量子自旋液体中的几何挫折是如此严重，以至于电子在量子磁态之间波动，无论它们变得多冷。

理论物理学家经常使用显示量子自旋液体的量子力学模型，但要找到它们存在于实际物理材料中的令人信服的证据一直是一个长达数十年的挑战。虽然已经提出了许多 2D 或 3D 材料作为可能的量子自旋液体，但莱斯大学的物理学家 Andriy Nevidomskyy 表示，物理学家之间并没有就它们中的任何一个符合条件达成共识。Nevidomskyy 希望基于他和来自佛罗里达州立大学赖斯分校和德国德累斯顿马克斯普朗克复杂系统物理研究所的同事的计算侦查而改变。

“根据我们今天掌握的所有证据，这项工作证实，在 2019 年被确定为候选 3D 量子自旋液体的烧绿石铈单晶确实是具有分级自旋激发的量子自旋液体，”他说。

导致磁性的电子的固有特性是自旋。每个电子的行为就像一个带有北极和南极的微型条形磁铁，当被测量时，单个电子的自旋总是指向上方或下方。在大多数日常材料中，旋转是随机向上或向下的。但是电子本质上是反社会的，这可能导致它们在某些情况下相对于它们的邻居来安排它们的自旋。例如，在磁铁中，自旋集中排列在同一方向上，而在反铁磁体中，它们以上下、上下的模式排列。

在非常低的温度下，量子效应变得更加突出，这导致电子在大多数材料中集体排列它们的自旋，即使是那些在室温下自旋指向随机方向的材料。量子自旋液体是一个反例，无论材料变得多冷，自旋都不会指向一个明确的方向——即使是向上或向下。

“就其本质而言，量子自旋液体是物质分馏状态的一个例子，”物理学和天文学副教授、赖斯量子倡议和赖斯量子材料中心 (RCQM) 的成员 Nevidomskyy 说. “单个激发不是从上到下的自旋翻转，反之亦然。它们是这些奇异的、离域的物体，具有一半的自旋自由度。这就像旋转了一半。”

Nevidomskyy 是赖斯实验物理学家戴鹏程领导的 2019 年研究的一部分，该研究发现了铈锆烧绿石是量子自旋液体的第一个证据。该团队的样品是同类中的第一个：烧绿石，因为它们的铈、锆和氧的比例为 2:2:7，而单晶则是因为内部的原子排列成连续的、不间断的晶格。Dai 及其同事的非弹性中子散射实验揭示了量子自旋液体的标志，这是在低至 35 毫开尔文的温度下测量的自旋激发的连续体。

“你可以说他们找到了嫌疑人并指控他犯罪，”内维多姆斯基说。“我们在这项新研究中的工作是向陪审团证明嫌疑人是有罪的。”

Nevidomskyy 及其同事使用最先进的蒙特卡罗方法、精确对角化以及分析工具构建了他们的案例，以对现有的铈锆焦绿石量子力学模型执行自旋动力学计算。该研究由 Nevidomskyy 和 Max Planck 的 Roderich Moessner 构思，蒙特卡洛模拟由佛罗里达州立大学的 Anish Bhardwaj 和 Hitesh Changlani 进行，Rice 的 Han Yan 和 Max Planck 的 Shu Zhang 提供了贡献。

“这个理论的框架是已知的，但确切的参数，其中至少有四个，是不知道的，”Nevidomskyy 说。“在不同的化合物中，这些参数可能具有不同的值。我们的目标是找到烧绿石铈的这些值，并确定它们是否描述了量子自旋液体。

“这就像弹道学专家正在使用牛顿第二定律计算子弹的轨迹，”他说。“牛顿定律是众所周知的，但它只有在你提供子弹质量和初速度等初始条件时才具有预测能力。这些初始条件类似于这些参数。我们不得不进行逆向工程，或者探查，“这种铈材料内部的初始条件是什么？” 并且，‘这与这种量子自旋液体的预测相符吗？’”

为了建立一个令人信服的案例，研究人员根据先前发表的铈锆烧绿石实验研究的热力学、中子散射和磁化结果对该模型进行了测试。

“如果你只有一个证据，你可能会无意中找到几个仍然符合描述的模型，”Nevidomskyy 说。“我们实际上匹配的不是一个，而是三个不同的证据。因此，一个候选人必须匹配所有三个实验。”

一些研究表明，量子自旋液体中出现的相同类型的量子磁波动可能是非常规超导性的原因。但 Nevidomskyy 表示，计算结果主要是物理学家的根本兴趣。

“作为物理学家，这满足了我们与生俱来的渴望，想要了解大自然是如何运作的，”他说。“据我所知，没有任何应用程序可以从中受益。它并没有立即与量子计算联系在一起，尽管存在使用分数激发作为​​逻辑量子比特平台的想法。”

他说，物理学家特别感兴趣的一点是量子自旋液体与磁单极子的实验实现之间的深层联系，磁单极子是宇宙学家和高能物理学家仍在争论其潜在存在的理论粒子。

“当人们谈论分裂时，他们的意思是系统表现得好像一个物理粒子，如电子，分裂成两半，四处游荡，然后在某个地方重新组合，”Nevidomskyy 说。“在我们研究过的烧绿石磁铁中，这些游荡的物体还表现得像量子磁单极子。”

磁单极子可以可视化为孤立的磁极，例如单个电子的朝上或朝下的磁极。

“当然，在经典物理学中，永远不能只隔离条形磁铁的一端，”他说。“南北单极子总是成对出现。但在量子物理学中，磁单极子可以假设存在，而量子理论家在近 100 年前构建了这些磁单极子，以探索有关量子力学的基本问题。

“据我们所知，磁单极子在我们的宇宙中并不以原始形式存在，”内维多姆斯基说。“但事实证明，这些烧绿石铈量子自旋液体中确实存在一种奇特的单极子。一次自旋翻转会产生两个被称为旋子的分级准粒子，它们的行为类似于单极子并在晶格周围游荡。”

该研究还发现证据表明，在铈锆烧绿石中以一种不寻常的方式产生了类似单极子的旋子。由于烧绿石中磁性原子的四面体排列，研究表明它们在低温下会产生八极磁矩——具有八极的自旋状磁性准粒子。研究表明，材料中的自旋子是由这些八极源和更传统的偶极自旋矩产生的。

Nevidomskyy 说：“我们的模型确定了这两种成分相互作用的确切比例。” “它不仅开启了对烧绿石铈材料的理论理解，而且对一般的八极量子自旋液体的理论理解开启了新的篇章。”

[kevinup8]

受激光-物质相互作用中的加速度诱导效应 作者：Barbara Šoda、Vivishek Sudhir、Achim Kempf 在《物理评论快报》中

基础物理学前沿工作的一个主要障碍是无法在实验室环境中测试前沿理论。但是最近的一项发现为科学家打开了大门，让他们看到以前只能在理论上理解或在科幻小说中表现出来的想法。

一种这样的理论是关于安鲁效应的。当航天器中的宇航员在经历超强加速度时，看到流过的星光，安鲁效应就是在流光之上额外产生的暖光。加拿大物理学家比尔·安鲁（Bill Unruh）最先预言，这种效应与辉光密切相关来自斯蒂芬霍金预测的黑洞。这是因为黑洞强烈地加速一切朝向它们的方向。

“人们认为黑洞并不完全是黑色的，”滑铁卢大学物理学博士生 Barbara Šoda 说。“相反，正如斯蒂芬霍金发现的那样，黑洞应该会发射辐射。这是因为，虽然没有其他东西可以逃脱黑洞，但辐射的量子涨落却可以。”

与霍金效应需要黑洞类似，安鲁效应需要巨大的加速度才能产生显着的辉光。因此，人们认为安鲁效应非常微弱，以至于无法用当前技术实验中可以实现的加速度进行测量。

研究小组发现了一种创新方法，通过使用高强度激光来试验安鲁效应。他们发现，在加速粒子上照射高强度激光可以极大地放大安鲁效应，以至于它实际上变得可测量。出乎意料的是，该团队还发现，通过巧妙地平衡加速和减速，甚至应该能够使加速的物质变得透明。

实验 Unruh 效应以及加速诱导透明的新现象的能力为物理学家提供了巨大的推动力，他们长期以来一直在寻找将爱因斯坦的广义相对论与量子力学相结合的方法。

“广义相对论和量子力学理论目前仍然有些矛盾，但必须有一个统一的理论来描述宇宙中事物的运作方式，”共同作者、应用数学教授 Achim Kempf 说。滑铁卢量子计算研究所成员。“我们一直在寻找一种将这两个重要理论结合起来的方法，这项工作通过为测试新理论与实验提供机会，帮助我们拉得更近。”

该团队现在正着手进行进一步的实验室实验。他们也对这项研究对物理学和宇宙本质的一些基本问题的影响感到兴奋。

“40 多年来，由于无法探索量子力学和引力的界面，实验一直受到阻碍，”共同作者、麻省理工学院机械工程助理教授、激光干涉仪附属机构 Vivishek Sudhir 说引力波天文台 (LIGO)。“我们在这里有一个可行的选择，可以在实验室环境中探索这个界面。如果我们能弄清楚其中一些大问题，它可能会改变一切。”

[kevinup8]

所有非磁性化学计量材料的所有拓扑带 作者：Maia G. Vergniory、Benjamin J. Wieder、Luis Elcoro、Stuart SP Parkin、Claudia Felser、B. Andrei Bernevig、Nicolas Regnault 科学

怎样才能让我们的电子产品更智能、更快、更有弹性？一种想法是用拓扑材料构建它们。 拓扑学源于数学的一个分支，该分支研究可以在不丢失某些核心属性的情况下操纵或变形的形状。甜甜圈就是一个常见的例子：如果它是由橡胶制成的，甜甜圈可以被扭曲并挤压成一个全新的形状，例如咖啡杯，同时保留一个关键特征——即它的中心孔，它的形式是杯子的把手。在这种情况下，洞是一种拓扑特征，对某些变形具有鲁棒性。

近年来，科学家们将拓扑学的概念应用于发现具有类似稳健电子特性的材料。2007 年，研究人员预测了第一个电子拓扑绝缘体——在这种材料中，电子的行为方式受到“拓扑保护”，或者在面对某些破坏时仍然存在。从那时起，科学家们一直在寻找更多的拓扑材料，目的是构建更好、更强大的电子设备。直到最近，只有少数这样的材料被发现，因此被认为是罕见的。

现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员发现，事实上，拓扑材料无处不在，只要你知道如何寻找它们。在一篇论文中，由普林斯顿大学的 Nicolas Regnault 和巴黎高等师范学院领导的研究小组报告说，他们利用多台超级计算机的力量绘制了 96,000 多种天然和合成晶体材料的电子结构图。他们应用了复杂的过滤器来确定每个结构中是否存在以及存在什么样的拓扑特征。总体而言，他们发现 90% 的所有已知晶体结构都包含至少一种拓扑特性，超过 50% 的天然材料表现出某种拓扑行为。

“我们发现无处不在——拓扑无处不在，”该研究的共同负责人、麻省理工学院物理系的博士后 Benjamin Wieder 说。

该团队已将新确定的材料编译成一个新的、可免费访问的拓扑材料数据库，类似于拓扑周期表。借助这个新库，科学家们可以快速搜索感兴趣的材料，寻找它们可能拥有的任何拓扑特性，并利用它们来构建超低功耗晶体管、新型磁存储器和其他具有强大电子特性的设备。该论文的共同主要作者是多诺斯蒂亚国际物理中心 Vergniory 的 Maia Vergniory、巴斯克大学的 Luis Elcoro、马克斯普朗克研究所的 Stuart Parkin 和 Claudia Felser，以及普林斯顿大学的 Andrei Bernevig。

这项新研究的动机是希望加快对拓扑材料的传统搜索。

“发现原始材料的方式是通过化学直觉，”Wieder 说。“这种方法在早期取得了很多成功。但当我们从理论上预测更多种类的拓扑阶段时，直觉似乎并没有让我们走得太远。”

Wieder 和他的同事转而使用一种有效且系统的方法来根除所有已知晶体结构（也称为无机固态材料）中的拓扑迹象或稳健的电子行为。

在他们的研究中，研究人员查看了无机晶体结构数据库（ICSD），这是一个研究人员输入他们研究过的晶体材料的原子和化学结构的存储库。该数据库包括在自然界中发现的材料，以及在实验室中合成和操作的材料。ICSD 目前是世界上最大的材料数据库，包含超过 193,000 个晶体，其结构已被绘制和表征。

该团队下载了整个 ICSD，并在执行一些数据清理以清除文件损坏或数据不完整的结构后，研究人员只剩下超过 96,000 个可处理的结构。对于这些结构中的每一个，他们根据化学成分之间关系的基本知识进行了一组计算，以生成材料的电子结构图，也称为电子能带结构。

该团队能够使用多台超级计算机有效地对每种结构进行复杂的计算，然后他们使用这些超级计算机执行第二组操作，这次是为了筛选各种已知的拓扑相，或每种晶体材料中的持久电行为。

Wieder 解释说：“我们正在寻找电子结构中的特征，在这些特征中，这种材料应该会出现某些稳健的现象，”他之前的工作涉及改进和扩展被称为拓扑量子化学的筛选技术。

从他们的高通量分析中，该团队很快发现了数量惊人的天然拓扑材料，无需任何实验操作，以及可以操作的材料，例如光或化学掺杂，以表现出某种鲁棒性。电子行为。他们还发现了一些在特定条件下包含多个拓扑状态的材料。

“已提出 3D 固态材料中物质的拓扑相作为观察和操纵奇异效应的场所，包括电流和电子自旋的相互转换、高能物理奇异理论的桌面模拟，甚至在正确的条件，量子信息的存储和操纵，”Wieder 指出。

[kevinup8]

任意温度下二分量子纠缠的指数聚类 作者：Tomotaka Kuwahara、Keiji Saito 在 Physical Review X

一项理论研究表明，如果满足正确的条件，远程纠缠确实可以在绝对零以上的温度下生存。

量子计算已被指定为计算的下一个革命性步骤。然而，当前系统仅在接近绝对零的温度下实际上是稳定的。日本研究合作的一个新定理提供了对哪些类型的远程量子纠缠在非零温度下存活的理解，揭示了宏观量子现象的一个基本方面，并为进一步理解量子系统和设计新房间提供了指导。温度稳定的量子器件。

当事情变得很小，小到人类头发宽度的千分之一时，经典物理定律就会被量子物理定律所取代。量子世界既奇怪又奇妙，科学家们还没有理解它的很多东西。大规模或“宏观”量子效应在超导等非凡现象中发挥着关键作用，超导是未来能量传输的潜在游戏规则改变者，以及量子计算机的持续发展。

借助长程量子纠缠，可以在特定系统中以这种规模观察和测量“量子性”。当一组粒子不能彼此独立地描述时，就会发生量子纠缠，阿尔伯特爱因斯坦曾将其描述为“远距离的幽灵般的作用”。这意味着它们的属性是相互关联的：如果你能完全描述一个粒子，你也会知道它所纠缠的粒子的一切。

长程纠缠是量子信息理论的核心，进一步理解它可能会导致量子计算技术的突破。然而，长程量子纠缠在特定条件下是稳定的，例如在三方或多方之间以及在接近绝对零（-273°C）的温度下。非零温度下的两方纠缠系统会发生什么？为了回答这个问题，来自东京 RIKEN 高级智能项目中心和横滨庆应义塾大学的研究人员最近提出了一项理论研究，描述了二分系统中温度高于绝对零时的远程纠缠。

“我们研究的目的是确定在任意非零温度下远程纠缠结构的限制，”该研究的作者之一 RIKEN Hakubi 团队负责人 Tomotaka Kuwahara 解释说，他在RIKEN 高级智能项目中心。“我们提供了简单的禁止定理，展示了哪些类型的远程纠缠可以在非零温度下存活。在绝对零以上的温度下，材料中的粒子会因热能而振动并四处移动，这会对抗量子纠缠。在任意非零温度下，只有两个子系统之间不会存在长程纠缠。”

研究人员的发现与之前的观察结果一致，即只有当涉及三个以上的子系统时，远程纠缠才能在非零温度下存活。结果表明，这是室温下宏观量子现象的一个基本方面，并且需要将量子设备设计为具有多方纠缠态。

“这一结果为更深入地了解远距离量子纠缠打开了大门，所以这仅仅是个开始。”该研究的合著者、庆应义塾大学教授齐藤敬城说。“我们的目标是在未来加深对量子纠缠与温度之间关系的理解。这些知识将激发和推动未来在室温下工作的量子设备的发展，使它们变得实用。”

[Zhixuan0318]

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