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 楼主: 王德奎|查看: 7805|回复: 33
[纪实·新闻] 

量子计算机回采半导体环量子超弦

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-12-7 21:57:11|显示全部楼层
B、纽结连接量子“环”线旋特征等量子暗能量
以上的说明,可以从左芬教授介绍的科学研究历程中看到在逐步接近。如在他翻译的《沃恩•琼斯(1952-2020)──数学家,其发明连接了纽结与量子物理》一文中提到:琼斯“关心的是纽结的研究,19世纪物理学家通过烟圈实验开创的一个领域。1990年他成为了第一位获得菲尔兹奖的新西兰人──因为他的一个发明革新了拓扑学领域,研究纽结和其他形状的一个数学分支。算子是任意维空间的变换──例如三维空间的简单的转动。它们对数学的许多领域,乃至量子物理都是关键的,在后者中算子的几何性质编码了实验测量的所有可能结果,比如一种元素发射荧光的光谱。到了1970年代,琼斯已经在一种被称为冯•诺依曼代数的特殊算子系统的完全分类上取得了大幅进展。一个现在被称为琼斯指标定理的成果说明,如果这些代数是一一嵌套的,他们的相对尺度符合精确但谜一般的数值比例。1984年在费城的宾州大学工作时,琼斯无意中发现他的嵌套代数满足的一些公式。这些令人联想到辫的研究中出现的一些公式。数学家把辫当成几何对象来研究,由互相缠绕的曲线组成。出于好奇,琼斯与辫方面的权威,纽约市哥伦比亚大学的拓扑学家琼•伯曼说起了此事。她解释道,一个辫可以头尾‘闭合’,形成纽结。两人开始猜测琼斯的公式可被用来生成一个编码了纽结性质的表达式──一个多项式。‘琼斯多项式’是辨别不同纽结的一种强力手段。特别地,它能将大多数纽结与其镜像区分开来”。
这里说的“烟圈”、“算子”、“编码”、“光谱”、“嵌套”、“辫”、“公式”、“缠绕”、“闭合”、“纽结”、“多项式”、“镜像”等现象,就与量子“环”、线旋、暗能量的联系大得很。
1)“烟圈”来自烟囱的轨道流、轨迹流,分立成的一个个“类圈体”,其主要的特征是“线旋”,就联系有“暗能量”特征的标示。但琼斯、冯•诺依曼、琼•伯曼等科学家关注“烟圈”联系的是“纽结”、“嵌套”、“辫”、“缠绕”、“闭合”,发展出“拓扑”、“算子”、“光谱”、“公式”、“多项式”、“镜像”等数学物理问题,也很漂亮,但他们没有关注到未来。
2)“烟圈”的线旋,在麦克斯韦的求解电磁场方程中似乎有专门的研究和命名,例如求解矢量分析与场论的“梯度”、“散度”、“旋度”的微积分方程,就联系“镜像”的“类圈体”环的“线旋”的环量、通量和方向导数描述,有“算子”、“编码”、“公式”、“多项式”的运用,由此也可以说“暗能量”也可以有“算子”、“编码”、“公式”、“多项式”的运用。
3)“烟圈”的线旋翻转“镜像”联系“纽结”、“嵌套”、“辫”、“缠绕”,甚至“暗能量”,是类似做针线活线自然打结、走路结好的鞋带自然松开──这里的“纽结”、“嵌套”、“辫”、“缠绕”、“闭合”也存在圈态,打结和松开明白是有人的能量的作用,但在特定地方、特定时候出现超常现象,难道不也类似暗物质、暗能量的特征。
4)这种暗物质、暗能量的线旋翻转特征作用的有时发生,联系中医说“上火”、“火冲了”──吃炒的干果或辛辣食物,有人有时会在口角、口唇边或鼻孔的一小处皮肤,发红或破皮出血,或眼角发红,一般说是“上火”、“火冲了”。这里的“火”与西医说的“排毒”的“毒”,有点不同。这里的“毒”,类似“暗物质”。可见中医药研究有“暗能量”,西医药有也是研究的“暗物质”。
其次以上的解读,左芬教授的该文还在发展说:“这是拓扑学家们数十年来探求的一种工具。很快,这一多项式及其细化就帮助解决了许多悬而未决的难题,其中一些早在19世纪晚期就由彼得•格思里•泰特──烟圈实验的先锋──构想出来了。研究者们也发现纽结与物理学之间大量的联系。琼斯探讨了其与统计力学,即大量粒子的平均性质的研究,之间的联系最惊人的关联出现在1989年。新泽西州普林斯顿高等研究院的理论物理学家爱德华•威滕表示,这一多项式可被解释为一个特殊宇宙中量子物理的一种性质,而这一宇宙具有简化了的自然定律和仅仅两维空间。其他的理论家接着发现了威滕的两维宇宙的一种可能的应用。当电子在某种超冷装置中被囚禁在一个薄层中时,他们会形成被称为任意子的集体量子态。任意子能‘记住’它们是如何围绕彼此移动的,就好像它们在时空中形成了辫。任意子以及类似的‘拓扑相’如今被视为建造未来量子计算机的可能平台。它们可以通过本质上计算琼斯多项式来运行量子算法。他引入了一种新技巧,用2维的图形排列来取代通常代数表达式中符号的线性排列。这一平面代数使得琼斯与其他人能发现难以捉摸的数学关系”。
这是说到本文的点子上──拓扑相→烟圈→量子环→线旋→纽结→辫→大量粒子→统计力学→琼斯多项式→威滕→两维→薄层→囚禁→超冷→记住→任意子→被视为建造未来量子计算机的可能平台。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-12-7 21:57:34|显示全部楼层
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C、再说量子“环”线旋寻找暗能量特征
对量子“环”线旋寻找暗能量特征的补充,左芬教授在《关于(量子)引力的一些朴素的想法》一文中还说:“如果你对文小刚老师的哲学观念和相关工作有所了解,你反而会觉得这一结论是理所当然的。我这里用的是退化一词,文老师和孔良等喜欢用凝聚、坍缩(既然说到这里,我们可以用凝聚的观点多说一下对偶猜想的本质。不同道的等同性,其根本原因在于(三维)体态的唯一性。准确地说,是处于一个特别的真空态(凝聚相)中,这个态由所有可能的边界(真空)态迭加形成。对这个态求迹,无论是从哪个方向去求,都会得到相同的结果,并表现为所有可能边界(真空)态的贡献之和)。四面体可以由四个面积完全确定下来。类比于弦论的诞生,很自然地我们会猜测这种特殊的费曼图是某种弦散射面退化而来。正是这种退化过程诱导了爱因斯坦引力”。
读文小刚教授的《量子多体理论──从声子起源到光子和电子起源》一书,你会知道他的一个重大的科学贡献,是对“自旋”概念的发展,提出的“自旋液体”概念──“自旋”不用固体,是在冲击旧物理脑洞大开。这种拟设的“一元多体”基础科学概念,是为环量子三旋理论的“线旋”提供支持和论据。因为从环量子“线旋”解读“小弦体”的退化、凝聚、坍缩、发散现象,是非常自然。由此说明“暗物质、暗能量”的退化、凝聚、坍缩、散射现象,是非常自然的。
至于“真空态(凝聚相)的边界猜测费曼图是某种弦散射面退化”,左芬教授该文中还说:“通过点与点之间的关系,我们最多可以探测,或者说分辨零到两维(0+0+2)几何;而通过线与线之间的关系,最多可以探测到四维(1+1+2)几何。个人认为,所有已知的物理实验均未超出所谓的联络动力学,所以都是基于线与线之间的关系,因而无法探测到超出四维的额外维度(而并非因为她们的尺度很小!)。这或许正是我们自认为生活在四维的根本原因。以此类推,通过面的相互关系可以生成六维(2+2+2)体世界”。
以及左芬教授在《霍金与量子引力》一文中说:“简单的拓扑推理告诉我们,点要跑到二维面上才获得自由,线需要四维空间才能自由伸展(解开纽结),而面则需要六维世界才获得完全的自由。所以我们应该考虑六维世界中的膜凝聚……圈引力构建了一个量子引力的普适框架,却未能引入足够多的自由度来刻画黑洞;相反,弦论思路因为引入了两维共形场论,可以在某些特殊情形得到黑洞熵”。
对此我们要说明的是,边界类似线,线类似维度,但描述时空的维度又和线及边界不同。“自旋液体”仅是一个特定的概念,例如把“液体”放到二维空间,如果没有边界,二维面无限地扩张下去,“液体”也会类似消失成真空。二维面增加一维,有限的“液体”会自然成三维的六面立体或四面立体。而“烟圈”是类似空气,“烟圈”气体放到三维空间,如果没有边界无限地扩张下去,“烟圈”气体也会类似消失成真空。但三维如果有三条边线是一个三角形面板,三维是六条边线就是一个四面立体的空间;是九条边线就是一个五面立体的空间,等等。同理,“暗物质、暗能量”的退化、凝聚、坍缩、散射类似“自旋液体”、“烟圈”气体,有“线旋”现象,但“暗物质、暗能量” 又是和“自旋液体”、“烟圈”气体不同的。

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-12-7 21:58:26|显示全部楼层
四、在自旋双层石墨烯扭角魔角中寻找暗物质
1元胞和角欠寻暗物质材料揭科学王国之谜
A左芬讲从粒子跨越弦理论丢掉了啥?
左芬教授在《关于(量子)引力的一些朴素的想法》一文中,讲到从粒子理论跨越到弦理论的第二个原因时说:“对圈引力的概括之外,我们还需要一点离散几何的基本知识──对于d维离散几何,其基本要素是d-2维元胞和角欠。例如2维离散几何就由各点上的离散度量以及角欠完全决定……对于4维离散几何,我们需要以面元为基本元素去构建时空。在广义相对论的情形,只需要构建其三维边界面元构建三维时空──一个面元对偶于一条边。把这些经典面元想象为只有面积和法向的几何对象,边界是可有可无的……用来构建最简单的三维几何体:四面体,三条边可以确定一个三角形,六条边可以确定一个四面体。四个面(面积加法向)同样可以确定一个四面体:这就是凸几何中的闵可夫斯基定理。这与费曼图相应,需要的是量子的面元。此时只有面积是可观测量,法向是不定的──四个面积是无论如何确定不了一个四面体的。而对偶的费曼图是一个四粒子相互作用,其作用方式也是不确定的。由于四面体四个面的地位是等同的,一个自然的猜测是其对偶费曼图的对偶猜想──加上了这一限制之后,四面体可以由四个面积完全确定下来”。
左芬教授以上的说法完全正确,但用来在自旋双层石墨烯扭角魔角中寻找暗物质材料,似乎漏掉很多科学王国划界之谜的秘密──因为他说的“元胞”,说清楚是关于元胞自动机(cellular automata)理论;他说的“角欠”,是指“凸多面体与一个顶点相关的面角之和与360度的差称为该顶点的欠角”。由于在科学第三极“柯猜弦论”的研究,“暗物质”被定义为量子基本粒子自旋编码中属“冗余码”,如果延伸到对应的类似“暗物质”的半导体材料的晶片,也会涉及凸多面体与其晶面“角欠”旋转等内容。我们之所以反复讨论左芬教授的博文,道理是未来百年之大变局的“科统”,实际存在类似人类社会的国家划分和政权现象的运动──只不过不像人类社会的阶级斗争和意识形态的“武统”和“文统”那样明快──它类似地球大陆上的高原和山峰,既是静静的,又是有高度差别的,但它也有变化──类似地质、地理有统一的变化规律,“科统”比“武统”和“文统”有更明白的统一的规律──当然“科统”也离不开“武统”和“文统”,及其明白。“科统”虽然出现迟,但也是“武统”和“文统”的自然发展一样。
B暗物质科学王国元胞和角欠说起
1)什么是暗物质?能在实验室直接观察到它吗?它是如何与普通物质相互作用的?2020年内发现的“暗物质”,会是未来百年之大变局关注的重要内容──2020年全球新冠肺炎病毒流行中的无症状感染者带的病毒,就类似“暗物质”。增多这种认知,就像宇宙中绝大多数物质,看来不是仅由构成我们的粒子组成的,还有某种不能直接看到的新类型的物质。主流假设的暗物质,是由弱相互作用大质量粒子组成。即使说“暗物质”不发出辐射,也只是它与普通粒子和辐射的相互作用非常微弱,只能通过它的引力效应知道它的存在。
粒子物理学家已经构造出许多推测模型,这些模型超出了粒子物理学的标准模型,通常包括许多可能组成暗物质的候选粒子。如中性伴随子,是标准模型的超对称扩展中的最轻的中性粒子,它是构成暗物质的一个理想的候选粒子。但也有认为暗物质可能由“轴子”或其他粒子构成,轴子是为解决强CP问题而发明的另外一个预测粒子。
至于观测问题,是否能在实验室中制造和检测暗物质?能直接探测到充满和包围星系的暗物质吗?暗物质在宇宙中是如何分布的?关于星系的结构和形成,在星系的形成和分布的当前模型中,暗物质扮演了一个至关重要的角色。正是暗物质进行了第一次塌陷,随后普通物质出现,并塌陷成为大块的暗物质。而科学家开初,也正是通过观察星系边缘的普通物质的轨道,才测量出它的质量。是宇宙的25%由暗物质组成,而不是由质子、中子、夸克或电子构成。普通的重子物质,即组成我们的物质,仅占目前宇宙质量或能量密度的3-4%。
主流粒子物理学类似在地面看得见的最最高的“山峰”──类似国家和政权现象是科学王国的“当朝群”。从前面的科学第三极介绍,也能推算出宇宙是25%由暗物质,3-4%由普通物质组成分布的。
2)什么是暗能量?主流的认知是──假设宇宙中的绝大部分能量是一种新形式的能量,即所谓的“暗能量”施加负压力,负压力导致了宇宙膨胀的加速。当然通过观察这种加速作用,天体物理学家已经推断出当前宇宙的70%的能量密度是暗能量的形式。
如何从观察上确定暗能量真是恒定的还是随着时间变化?主流关于暗能量的最简单假设是,它是“宇宙学常数”Λ──当初爱因斯坦将它引入他的方程,以便得出一个静态的宇宙。但是随后科学们认识到静态宇宙是不稳定的;而且发现宇宙不是静态的,它正在膨胀。因此爱因斯坦放弃了宇宙学常数Λ。但是现在测量显示,看来存在一个不为零的、并具有负压力的能量,它看起来就像是一个宇宙学常数。我们应该怎样解释呢?从宇宙中的绝大多数能量是真空能,却不可能“看到”它,还有检测暗能量的其他方法吗?有。
从前面科学第三极介绍“柯猜弦论”的算术代数的运算原理──11”、“01”、“10”;1=1;1=1=…=1;1=1;1=1=…=1;1+(-1)=0;0+0=0;0+0+…+0=0等自然数、实数、虚数、复数等加法计算原理,及量子起伏、真空起伏等类似卡西米尔效应的收缩效应检测和霍金黑洞辐射现象的观察,暗能量包含类似虚数的能量效应。
3)“元胞”类似“柯猜弦论”,是一种科学方法理论,特别是“科学王国”之一的“当朝群”说的元胞自动机──它是一种时间、空间、状态都离散,空间相互作用和时间因果关系为局部的网格动力学模型,具有模拟复杂系统时空演化过程的能力──但不同于一般的动力学模型。元胞自动机不是由严格定义的物理方程或函数确定,而是用一系列模型构造的规则构成。凡是满足这些规则的模型都,可以算作是元胞自动机模型。元胞自动机是一类模型的总称,或者说是一个方法框架。其特点是其状态改变的规则,在时间和空间上都是局部的,每个变量只取有限多个状态。
“元胞”类似“柯猜弦论”求证“空心圆球不撕破和不跳跃粘贴,能把内表面翻转成外表面”。因此,可以把“元胞”拟设为一个正立方体的8个顶点装有灯泡所示的那种阵列──每个灯有“开”和“关”两种状态;“元胞”的中心即正立方体的中心的灯泡,与周围的8个灯相连。那么多个“元胞”组合,每个灯与周围的8个灯相连──边上的灯会认为与另一边的相连,比如最左边的灯,会认为与最右边的灯相连。这样所有灯都与8个灯相连。初始阶段,部分灯开,部分灯关。元胞自动机像中央处理器一样,一步一步地进行计算。
每个元胞自动机有一个规则,是说明每个灯怎么根据之前周围8个灯及自己的状态决定自己下一步时的状态。比如一种规则可以是:采用邻域占多数的状态──展示了这种规则下,下一步此元胞自动机会怎么变化?这种计算模型,是冯·诺依曼提出的,成为非冯·诺依曼结构,而与图灵机的计算能力等价。
元胞自动机的构建没有固定的数学公式,构成方式繁杂,变种很多,行为复杂。故其分类难度也较大,自元胞自动机产生以来,对于元胞自动机分类的研究就是元胞自动机的一个重要的研究课题和核心理论。在基于不同的出发点,元胞自动机可有多种分类。其中,基于维数的元胞自动机分类,是最简单和最常用的划分。
从另一角度,元胞自动机可视为动力系统,因而可将初始点、轨道、不动点、周期轨和终极轨等一系列概念,用到元胞自动机研究中的上述分类。又可以分别描述为:⑴均匀状态,即点态吸引子,或称不动点;⑵简单的周期结构,即周期性吸引子,或称周期轨;⑶混沌的非周期性模式,即混沌吸引子;⑷第四类可与生命系统等复杂系统中的自组织现象相比拟。从研究元胞自动机的角度讲,最具研究价值的就是这第四类行为的元胞自动机。它被认为具有“突现计算”功能,可用作广义计算机,以仿真任意复杂的计算过程。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-12-7 21:58:54|显示全部楼层
元胞自动机可用来研究包括通信、信息传递、计算、构造、材料学、复制、竞争与进化等。它为动力学系统理论中有关秩序、紊动、混沌、非对称、分形等系统整体行为与复杂现象的研究提供了一个有效的模型工具。应用领域涉及社会学、生物学、生态学、信息科学、计算机科学、数学、物理学、材料学、化学、地理、环境、军事学等。元胞自动机被看作是并行计算机而用于并行计算的研究,可用来研究数论和并行计算,以及应用于计算机图形学的研究中。除了格子气元胞自动机在流体力学上成功应用,元胞自动机还应用于磁场、电场等场的模拟,以及热扩散、热传导和机械波的模拟。另外元胞自动机还用来模拟雪花等枝晶的形成;可用来通过模拟原子、分子等各种微观粒子在化学反应中的相互作用,而研究化学反应的过程。
以上元胞自动机的构建和功能,与“柯猜弦论”的构建和功能有相似,也说明“科学王国”的“山峰”可以不止一个。当然这不是科学真理不能统一,而是说“科统”的和谐竞争,在类似站起来、富起来、强起来等三者中,强起来更类似“当朝群”──当今的英文科技,就是掌握当今主流科技话语权的“强起来”者,中文科技说的站起来、富起来、强起来,实际是通过英文科技话语权发表论文、新闻、授奖、评科学院士等才具有实力。但未来百年之大变局的“暗物质”认识与应用中,科学第三极的中文科技“柯猜弦论”,等候了57年也是初心。
4)“欠角”是“柯猜弦论” 初心对“暗物质”材料认识与选用,与英文科技“当朝群”的元胞自动机衔接,延伸自旋双层石墨烯扭角、魔角的一块敲门砖──使用欧拉定理可证明:凸多面体各个顶点的欠角的和,恒等于720度。如以正四面体为例:正四面体的每个面,都是正三角形,因此每个面的内角为60度。每个顶点上都有三个面角,则该顶点三个面角之和为180度。
根据定义可得,每个顶点的欠角为360-180=180度。四面体一共有四个顶点,而且完全相同,因此四个顶点的欠角和为720度。该定理可以帮助认识新的凸多面体,如正十二面体、正二十面体、足球等凸多面体,并结合欧拉定理对这些多面体的顶点数、边数和面数进行数量上的分析,而且该定理对帮助分析组合数学的波利亚(Polya)定理中涉及的凸多面体转动群,很有作用。
波利亚(1887-1985),匈牙利数学家。波利亚在前人研究同分异构体计数问题的基础上,1937年以《关于群、图与化学化合物的组合计算方法》为题,发表了长达110页、在组合数学中具有深远意义的著名论文。1940年波利亚移居美国,1942年后一直在斯坦福大学任教。1953年起任该校退休教授。以他的名字命名的波利亚计数定理,是近代组合数学非常重要和基本的计数工具。波利亚利用发生函数的方法,结合群的观点和权的概念建立起来的一个有关计数定理。波利亚定理在有关计算不同等价类的个数问题上起着重要的作用。他对数学思维一般规律的研究,堪称是对人类思想宝库的特殊贡献。
2、从自旋寻暗物质说有关双层六边石墨烯
A、再说英文科技与中文科技从自旋寻暗物质
中文科技“柯猜弦论”谈“暗物质”,不是无物质。从自旋寻暗物质,是说量子如果是日本马列主义科学家坂田昌一教授认为是有“体”的,我国层子模型科学家也跟着赞成,那么“球面与环面不同伦”,量子分为“球量子”和“环量子”,就像“科学王国”的语言最大的集群可以分为“英文”和“中文”两支一样。用量子的自旋来编码,有“避错码”和“冗余码”之分。中文科技“柯猜弦论”是把“冗余码”看作“暗物质”,那么可用“魔方”作比喻;而把“避错码”看作一般物质,或称“明物质”,是用“陀螺”的旋转作比喻。
左芬教授跟着彭罗斯等批评英文科技的弦理论,但他说的英文科技“元胞和欠角”涉及的凸多面体转动,“欠角”还是固定死的,很难联系到暗物质。与此不同,是上海交大主办的《纳微快报》2020年9月17日发表的《魔幻角度会出现超导超晶格?──双层石墨烯扭曲的机遇与挑战》一文,说的“控制两个石墨烯片之间的扭曲角”,与暗物质还有些联系。为了让大家更了解中文科技“柯猜弦论”谈“暗物质”与“自旋”的联系,下面再介绍四点推论,才接着说下文。
1)从“暗物质”涉及量子纠缠和量子传输的粒子,都必需是作自旋的粒子来说:对于自旋体边缘的任意一个质点,是在作圆周运动;而测量者C,相对于这种圆周运动两边的B或A点,虽然类似是静止不动的,但从B和A这种圆周运动上的一个质点看来,自己也是静止不动的,而测量者C,才是相对它们在作圆周运动。根据作用与反作用的对偶效应,B和A上的质点对测量者C,也有里奇张量的作用,且是前面讲的那种属点内空间的虚数类超光速的里奇张量传输作用。
2)暗能量或宇宙常数联系负的里奇张量,点内空间既可以无限小,也可以无限大。后者就联系暗能量或宇宙常数,以及类似牛顿水桶的水面凹陷效应,可拟设点内空间类似牛顿水桶,我们今天的宇宙就是这个水桶内的水,那么我们的宇宙就处于无限大的点内空间内。已知牛顿水桶是作旋转运动,类似水桶内水的我们的宇宙,是静止不能移动的。根据上面1)的推论,同理,水桶内边缘的一个质点看来它是静止不动的,我们的宇宙在绕着它作圆周运动,我们的宇宙应对它有负的里奇张量作用,即类似水面凹陷效应也可对应宇宙膨胀。这种点内空间效应,就是三旋理论早已说的暗能量联系宇宙常数。
3)暗物质联系里奇张量的复杂──里奇张量针对的是作圆周运动,而圆周运动也能联系自旋。而庞加莱猜想联系里奇张量和里奇流,空间类似苹果表面是“单连通的”,而轮胎面不是,即空间的自旋是分为球面与环面两大拓扑类型的,所以三旋理论在扩容量子力学为量子色动力学时,没有完全跟随英文科技主流用三种色荷直接编码6类18种夸克,而是用量子拓扑环圈的三大类62种自旋态来编码除开希格斯粒子以外的所有基本粒子,由此规范码能完全对应夸克立方周期全表,冗余码又能对应暗物质所占的比例。
4)那么冗余码对应的暗物质具体是什么?实际就是弦论所说的宇宙膜和宇宙弦。那么这些宇宙膜和宇宙弦又是从何而来,和基本粒子的超伴子有何区别?英文科技弦论的时空拓扑结构,是建立在英文卡拉比-丘流形基础上的,但用卡-丘流形操作细分还有三大疑难。2002年以来我国出版的《三旋理论初探》、《解读<时间简史>》、《求衡论──庞加莱猜想应用》、《中医药多体自然叩问》等专著,以及《凉山大学学报》2003年第1期发表的《从卡-丘空间到轨形拓扑》等论文,找到了解决三大难题的道路。这是因为从轨形拓扑推论量子环圈的空间结构,对应的基础是“黎曼切口”。做黎曼切口的面就是宇宙膜,而连接黎曼切口的管线就是宇宙弦。
而通过黎曼切口轨形拓扑的规范操作,又确只能不多不少做25种卡-丘空间模型,可对应夸克和轻子的规范类型以及胶子、光子、引力子及W±、Z0和希格斯等25种基本粒子,或它们的超伴子。
那么操作剩下的即冗余宇宙膜和宇宙弦,也与对应暗物质所占的比例相同。两者都吻合,也说明了里奇张量的普适性。

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-12-7 21:59:22|显示全部楼层
B角欠说双层石墨烯扭角到“魔角”寻暗物质
《纳微快报》发表的《魔幻角度会出现超导超晶格?》,作者是一个外国人──韩国大邱庆北科学技术院的金贤民教授。他说的亮点,我们注意的不在“扭曲双层石墨烯的制备技术”,而在“双层石墨烯扭曲以及控制扭曲双层石墨烯的特性”上。
金贤民教授的文章一打开,是一张很大的正六边形环的示意图。这个大的正六边形环图外,下面还压着一个同样大的正六边形,只是六个顶角在原位上又旋转了30°的角度,成了12个角形。而在大的正六边形环内,有一个同样形状的12个角形的小一些的正六边形转角图。连接环内这12个角形顶点,错开的两段,再以此边长作两个小正六边形。以此类似“元胞自动机的构建和功能”中,“元胞”堆叠,那么这里类似的“角欠”,与左芬教授等说的凸多面体是不同的。
1)二维(2D)材料,特别是石墨烯,具有较强的物理,化学,电子和光学特性。通过堆迭两个单层石墨烯来制造双层石墨烯。当其中一层以小角度扭曲时,会形成扭曲的双层石墨烯超晶格。
2)扭曲双层石墨烯中,由于石墨烯在不同类型的2D材料中具有卓越的物理和电子特性,紊乱和层间相互作用的存在,增强了一些特性,包括光学和电学特性。
3)在双层石墨烯中,以魔角报道了超导性之后,扭曲双层石墨烯的制备,及其依赖于扭曲角的特性,都有了新进展,可见类似从自旋寻暗物质的材料和定义暗物质的重要性。
4)制备扭曲双层石墨烯,双扭曲三层石墨烯,以及单层石墨烯片的折迭,不同结合能扭曲双层石墨烯的恒定能量轮廓的迭加──扭曲角为6°和13°的扭曲双层石墨烯,扭曲度为2.3°和5.9°的扭曲双层石墨烯等不同材料,魔角石墨烯超晶格中的非常规超导性会有不同的异常超导行为。所以扭曲的双层石墨烯,类似一种新颖的从自旋寻找暗物质的结构,显示出与堆迭的双层石墨烯类似的“暗物质”材料有不同的基本特性。而且在很大程度上,取决于两个石墨烯层之间的扭曲角(θ)。扭曲双层石墨烯光学性质的发展和变化,预示在未来百年之大变局中“暗物质”领域将得到广泛应用。
3、曹原魔角到金贤民扭角揭晓自旋暗物质材料吗
A、不要说暗物质发现迟──有志不在年高
不知金贤民教授通过堆迭两个单层石墨烯来制造双层石墨烯──当这些层以小角度扭曲时,会形成扭曲的双层石墨烯超晶格,是否受到曹原教授发表的论文的启发?──曹原发现的旋转双层石墨烯在接近魔角时,会经过一个转变,变成一个莫特(Mott)绝缘体。
曹原,1996年生,有说是成都人。但2019年10月9日绵阳市社科联主办《绵阳论坛》杂志特邀编辑的刘文传先生,告诉说:“20岁就在2016年《物理评论快报》上发表对扭曲双层石墨烯的研究、引起凝聚态界广泛兴趣的曹原,是出生在绵阳市游仙区,父母也是游仙区的人。不久前曹原来绵阳,还被南山中学等请去作过学习交流报告”。这真是有志不在年高,也像“暗物质”研究,观点有不同出处。
但2018年12月18日曹原登上《自然》年度科学人物榜首”,确定的。2018年3月5日英文期刊《自然》连刊两文报道石墨烯超导重大发现,第一作者曹原来自中国,他发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应轰动国际学界。
但说到“莫特绝缘体”,2005年9月3日新华社汉城电据韩国媒体报道,韩国电子通信研究院基础技术研究所博士金铉卓领导的研究小组,在绝缘体导电实验中,对不能通电的“莫特绝缘体”材料钒氧化物等施以电压冲击,使电流通过该材料并继续“流动”,产生“金属--绝缘体转移”现象。首次证实50多年前英国科学家莫特提出的绝缘体可以导电的猜想。这是固体物理学领域的又一重要发现。
到2019年10年22日又有媒体网络文章《莫特绝缘体中的原子级磁性“信号”被揭晓》,报道美国波士顿学院、麻省理工学院和加州大学圣巴巴拉分校等科学家,在探索莫特绝缘体的属性时捉摸到原子尺度磁信号──在原子水平上这些绝缘体可以通过添加电子电荷将其处理成金属状态,这一过程称为掺杂。莫特绝缘体的特点是电子由于强烈的电子-电子相互作用而局部化,并且通常伴随着磁性有序化。在这种情况下开发并研究莫特绝缘体铱酸锶(一种氧化物)的表面,呈单晶形式。在许多复杂氧化物中,磁性有序化嵌入到其他相的空间不均匀景观中。在单个原子长度尺度上进行测量,同时使用电荷和自旋灵敏度发现:在低掺杂水平下,材料电子的均匀反铁磁有序,在绝缘体到金属转变附近融化成碎裂的、“片状”的反铁磁有序。
也许像曹原发现的旋转双层石墨烯在接近魔角时,是类似在“暗物质”材料尺度水平上研究莫特绝缘体──为纪念英国物理学家兼1977年诺贝尔物理奖得主莫特,命名的莫特绝缘体,像NiO、CoO、MnO等过渡金属简单氧化物,一个晶胞中具有奇数个价电子,按照能带理论应当有良好的导电性,而实验表明却是透明的绝缘体。也许与莫特曾在1949年提出绝缘体能像金属那样导电的猜想,但一直没人通过实验加以证实类似,“暗物质”材料尺度存在于原子级水平石墨烯超导绝缘体的磁性“信号”中,等待揭示──类似在能带理论中,采用单电子近似,即本质上忽略了电子-电子相互作用。根据能带理论,CoO应当是金属,但实验发现这个结论是错误的,实际上CoO是有很大能隙的绝缘体。莫特认为不管能带理论计算多精巧,只要忽略了电子之间的关联,就必定在处理强关联电子系统时失败。
CoO等这类过渡金属氧化物被称为莫特绝缘体。“暗物质”是带理论的磁性状态半导体,而莫特绝缘体是带理论的金属,是应该分类在常规能带理论之下的导体,当在特别低温测量时是绝缘体。这个作用归结于电子和电子的相互作用,在常规能带理论上没有被考虑。
带理论的金属指即使预期的方式,电子-电子斥力的作用的绝缘体是该状态。根据能带理论,当每个晶胞的电子数为奇数时,该能带仅被部分占据,因此它必须是金属的。然而在实践中单元电池每电子即使在化合物数量为奇数,金属特定电导率也没有显示。莫特指出的这种转变不应该相对于绝缘相处于磁性状态,而是实际的“莫特绝缘子”处于磁性状态,例如反铁磁性。
B直搭梯子,斜搭梯子,螺旋梯子
2013年曹原在中国科技大学参加了计算物理课程计划,其目的是利用有限元方法计算铁磁流体在磁场中表面图案的形成。有一篇关于这项工作的研究论文后来发表在《磁性与磁性材料》杂志上。2012~2014年曹原在中国科技大学曾老师的指导下,以本科生身份,通过理论方法研究了超晶格对石墨烯及其等离子体性质的影响,研究结果发表在2014年的《物理评论B》杂志上。曹原2013年赴英国牛津大学陈玉林研究小组进行交流,在这为期三个月的交流项目中,他做了一些角分辨光电发射光谱实验的数据分析和编程。2013~2014年在中国科技大学参与了用光还原氧化石墨烯制作超级电容器的项目。采用一个可编程的激光划片器将氧化石墨烯还原成超电容器。
2014年至今曹原在美国麻省理工学院研究小组担任研究助理,其研究主要集中在基于石墨烯和过渡金属化合物的二维体系及其相互作用和物理性质。曹原对扭曲双层石墨烯的研究已经于在2016年的《物理评论快报》上发表了一篇论文;在2018年3月5日的《自然》杂志上发表了两篇论文──这两篇以曹原为第一作者的论文,是发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应,直接开辟了凝聚态物理的一块新领域。
其实曹原的当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,会产生神奇的超导效应的发现,其原理可用以下初浅直观类似宏观的直搭梯子,斜搭梯子,螺旋梯子等三个唯象图形,来比喻对照简单地说明。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-12-7 21:59:46|显示全部楼层
C从卡西米尔效应到多维量子霍尔效应
什么量子反常霍尔效应?从普通人的切身体验说起,手机或电脑用上一段时间就会发热,用不到一天就得充电,越用越卡……这个问题的本质在于电子运动会消耗能量。这不仅是制造算力要求高的电子器件的限制,也是科学界长期关注的难题。要让电子运动绝对无能耗,就必须将其杂乱无章的运动变成“高速公路”一样的有序运动。
对电子运动制定规则的“量子霍尔效应”,成为解决这个问题的希望。但由于实现“量子霍尔效应”需要庞大的外加磁场,成本高昂,因此无磁场的“量子反常霍尔效应”成为科学家的梦想。研究量子反常霍尔效应是科学发展中自然的选择,也是学术发展的趋势。这就要基于在拓扑物态领域积累的经验,寻找“量子反常霍尔效应”的征途。在理论上,实现“量子反常霍尔效应”所需材料的条件非常苛刻。所以近几年“火”起来的拓扑绝缘体,提供了思路──2009年有科学家从理论上预言了,碲化铋(Bi2Te3)能够实现“量子反霍尔效应”。
随后从理论上提出Cr或Fe磁性离子掺杂的碲化铋等拓扑绝缘体薄膜,是实现量子反常霍尔效应的最佳体系,预言在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中可真正观察到“量子反常霍尔效应”。基于上述预言,对量子反常霍尔效应的实验开始“大浪淘沙”的攻关,主要开展了分子束外延生长及高质量薄膜制备的实验,制造生长测量了超过1000个样品,随后一步一步对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控,利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂碲化铋拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”。其中完成的对这一实验现象的极低温电输运测量,获得了量子反常霍尔效应的关键实验证据。
上述的该实验室2006年成立,掌握着国际领先的极低温输运测量技术。其创始人崔琦就曾因发现分数量子霍尔效应,获得了1998年的诺贝尔物理奖──以崔琦院士名字命名的实验室,能够参与到量子反常霍尔效应的实验发现这一工作中来,是拓扑量子物态研究方面中国人的智慧传承──对不同温度下反应结果的观测,这看起来是一个小目标,但每提高或降低一度都可能意味着重大的新发现。如果无论升高或降低温度都无法解决问题,可能就需要重新分析并开展其他实验。对科学保持着的这种持久的热忱与动力,目前已将量子反常霍尔效应的观测温度从30mk提升到1K,实现了30倍的增长。
量子反常霍尔效应可以用于发展新一代低能耗晶体管和电子学器件,克服芯片发热和能量损耗问题,加速信息技术革命进程,但距离产业化应用还有很长的一段路要走──量子反常霍尔效应,它“神奇”又“美妙”,因为它的发现可能带来下一次信息技术革命。采用这种技术设计集成电路和元器件,千亿次的超级计算机有望做成平板电脑那么大,智能手机的内存可能会提高上千倍!
那么什么是量子霍尔效应?其原理类似“直搭梯子”──它是电子运动的“交通规则”:在普通导体中,电子的运动轨迹杂乱无章,不断发生碰撞。当在导体两端加上电极之后,电子就会形成横向漂移的稳定电流。而电流在传输中会存在能量损耗的现象。如果在垂直于电流方向加上外磁场,材料里的电子由于磁场的作用力,会在导体一边形成积累电荷,最终会达到平衡形成稳定的霍尔电压。当外场足够强,温度足够低时,导体中间的电子会在原地打转,会在边界上形成不易被外界干扰的半圆形导电通道,即量子霍尔效应。量子霍尔效应可以让电子在各自的跑道上“一往无前”地运动,降低能量损耗。
D、凝聚态物理拓扑绝缘体超导材料
量子霍尔效应在凝聚态物理的研究中,占据着极其重要的地位,它就像一个富矿,一代又一代科学家为之着迷和献身,整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、半整数量子霍尔效应相继获得诺贝尔奖。但是在量子霍尔效应家族,最神秘成员是“量子反常霍尔效应”──不需要外加磁场的量子霍尔效应,迟迟没有被人发现。长时间使用计算机时,会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题,这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道,它们相互碰撞从而发生能量损耗。量子霍尔效应的发现,为我们突破摩尔定律和集成电路的发展提供了一个全新的原理。这是物理学基本研究为未来工业界发展提供的崭新道路。但它的产生需要非常强的磁场,相当于外加10个计算机大的磁铁,这样体积庞大且价格昂贵,显然不适合个人电脑和便携式计算机。而量子反常霍尔效应的美妙之处,是不需要任何外加磁场,即可实现电子的有序运动,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。2010年左右,包括中国华人物理学家张首晟教授在内的科学家,在理论上预言了一种叫做拓扑绝缘体的新的材料。
拓扑绝缘体就是内部绝缘、表面导电的拓扑材料,这些表面导电通道不受表面形貌、非磁杂质等的影响,所以是很好的一维导体。如果在其中掺入磁性原子形成长程铁磁序,这样无需外加磁场,就能形成稳定的基本没有耗散的量子反常霍尔效应。如何用实验来证明上述理论呢?用实验验证量子反常霍尔效应的关键是制备出一种像石墨烯那样,一层一层平整的纳米材料。量子反常霍尔效应对材料性质的要求非常苛刻,如同要求一个人同时具有短跑运动员速度、篮球运动员高度和体操运动员灵巧:材料能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态;材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;材料体内必须为绝缘态从而只有一维边缘态参与导电。
在实际材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲更是巨大挑战,正因为此,美国、德国、日本等科学家未取得最后成功。自2009年起,中国科学院院士薛其坤带领由中科院物理研究所和清华大学物理系组成的实验团队向量子反常霍尔效应的实验实现发起冲击。历经四年努力生长和测量了1000多个样品,利用分子束外延的方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,将其制备成输运器件,并在极低温环境下对其磁电阻和反常霍尔效应进行了精密测量。终于发现在一定的外加栅极电压范围内,此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值,世界难题得以攻克。
量子反常霍尔效应可在未来解决摩尔定律的瓶颈问题,若应用到电子器件中,有望克服目前计算机发热耗能等带来的一系列问题,为半导体工业带来又一次的革命,甚至使巨型银河计算机变得像iPad般便携。它的发现或将带来下一次信息技术革命,我国科学家为国家争夺了这场信息革命中的战略制高点。在凝聚态物理领域,量子霍尔效应研究是一个非常重要的研究方向。量子反常霍尔效应不同于量子霍尔效应,它不依赖与强磁场而由材料本身的自发磁化产生。在零磁场中就可以实现量子霍尔效应,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。量子反常霍尔效应,是一个基于全新物理原理的科学效应。
通过实验在真实材料中发现量子反常霍尔效应,自1988年开始就不断有理论物理学家提出各种方案,然而之前在实验上没有取得任何重要进展。因为反常霍尔效应的量子化需要材料的性质同时满足三项非常苛刻的条件:一是材料的能带结构必须具有拓扑特性从而具有导电的一维边缘态,即一维导电通道;二是材料必须具有长程铁磁序从而存在反常霍尔效应;三是材料的体内必须为绝缘态从而对导电没有任何贡献,只有一维边缘态参与导电。在实际的材料中实现以上任何一点都具有相当大的难度,而要同时满足这三点对实验物理学家来讲更是一个巨大的挑战。这要结合分子束外延生长、极低温强磁场扫描隧道显微镜、角分辨光电子能谱技术,在表面、界面、低维物理学领域做出国际一流的工作。而要抓住拓扑绝缘体这个新领域兴起的契机,就要在国际上率先建立拓扑绝缘体薄膜的生长动力学机制,利用分子束外延生长出国际最高质量的样品。“量子反常霍尔效应”这项重大发现,不仅是科学上的重要突破,研究成果应用方面也具有意义深远的影响,它将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命的进程。

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-12-7 22:00:16|显示全部楼层
E三维量子霍尔效应的直搭梯子原理
中国科学家率先发现的量子反常霍尔效应,经受住了历史的考验,成果论文发表后,实验结果已先后得到东京大学、麻省理工学院、斯坦福大学、普林斯顿大学等科学界同行的反复严格验证。但量子霍尔效应研究:从二维迈向三维“你说这么薄,算二维吗?”以一张A4纸比较,这个厚度最起码已经到几十微米了,但真正的二维是几个原子层厚,仅有几纳米,是纸张厚度的万分之一。量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一,迄今已有4个诺贝尔奖与其直接相关。但100多年来,科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系,从未涉足三维领域。因为从上表面到下表面的体态穿越,电子做了垂直运动──这类似量子霍尔效应的直搭梯子原理。当然“直搭梯子原理”也包括可能是:电子在上下两个表面,即在两个二维体系中,分别独立形成了量子霍尔效应。
但对“直搭梯子原理”的限制,增大上下两个表面之间的距离,面对千分之一根头发丝粗细的实验材料和快如闪电的电子运动速度,这实验该怎么做?因为实现从二维到三维量子霍尔效应的直搭梯子的深层次原理,都要联系到量子色动化学使用的量子卡西米尔效应原理的类似公开的“基因组学”──卡西米尔效应,这是指在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这种压力是由平板之间空间中的虚粒子的数目比正常数目减小造成的。它的特别之处是,“卡西米尔力”通常情况下只会导致物体间的“相互吸引”,而并非“相互排斥”。真空是空荡荡的,但据量子电动力学,实际上真空中到处充满着称作“0点能”的电磁能。
“0点能”中的“0”,指的是如果把宇宙温度降至绝对零度(宇宙可能的最低能态),部分能量就可能保留下来。实际上这种能量是相当多的──麦克莱的计算,大小相当于一个质子的真空区所含的能量,可能与整个宇宙中所有物质所含的能量一样多。平行板电容器在辐射场真空态中存在吸引力的现象称为卡西米尔效应。考虑一个辐射的电磁场,根据波粒二象性,辐射场可以看作是光子气,而光子气可看作是电磁辐射场的简谐振动。电磁场量子化后,可把辐射场哈密顿写成二次量子化的形式。卡西米尔力在纳米系统中的另一个重要应用,是与原子-表面相互作用联系在一起的。
在氢原子或分子和碳纳米结构之间作用的卡西米尔力,在吸收现象中起决定性作用。碳纳米管是一个包含几层同心六边形的石墨柱壳的纳米系统,由于单壁碳纳米管对氢贮存的潜在应用,原子和碳纳米结构之间的卡西米尔力的研究变得非常紧迫。计算表明,氢原子和分子处于多壁碳纳米管内部比外部更优先。卡西米尔效应就是在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力,延伸为量子卡西米尔现象,由于研究“三旋/弦/圈理论”这三个层次,属于是庞加莱猜的层展和呈展,在计算、应用、理解上的一种方便。它包含了既有环量子三旋理论,又有超弦/M理论,还有圈量子引力理论等所曾主要表达的数学和物理内容。由于三旋/弦/圈(SXQ)理论难以实验检验,研究卡西米尔现象发现,环量子类似一个方板,球量子类似一个方块,从三维来说,方板有一维是对称破缺的。但正是这种破缺,使环量子和球量子的自旋如果存在辐射,那么在卡西米尔效应上是可以实验检验。
这种类比模型不仅能扩展引力场方程及量子力学方程求解的思路,丰富正、负时空联络的几何图象,而且联系卡西米尔效应中两块板之间零点能的量子涨落差异,还可能揭示宇宙物质的起源以及强力、弱力和电磁力等相互作用的秘密。因为如果把引力联结的两个星体比作卡西米尔效应中的两块板,再把引力场弯曲产生的凹陷图象分别粘贴在两块板相对的一面,引力就类似蛀洞的一个洞口与另一个蛀洞的洞口相对这片区域的卡西米尔效应量子涨落产生的拉力强度。
原因是,虽然这种拉力强度远小于星体物质自身的能量密度,但它们已表现出这片区域内的时空弯曲,相对要大于平板外侧的时空弯曲,并是这种弯曲产生的拉力。因为按海森堡不确性原理,所谓真空实际上充满着许多瞬时冒出又瞬时消逝的基本粒子,这些基本粒子中的一部分将通过时空弯曲的凹面进行传播,结果这里的时空弯曲变成一种引力的耦合辐射。这里负能量与反物质的区别是,反物质拥有正的能量,例如当电子和它的反粒子正电子碰撞时,它们就湮灭,其最终产物是携带正能量的伽玛射线。如果反物质是由负能量构成的,那么这样一种相互作用将会产生其值为零的最终能量。但不管是哪种情况,最终这里的引力场时空弯曲辐射差异产生了拉力强度。由此时空弯曲不仅造成类似纤维丛的底流形与纤维的差别,而且也是产生引力和强力、弱力及电磁力等相互作用区别的根本因素。因此求解引力,主要还是应该从爱因斯坦广义相对论的引力方程入手。
量子色动化学使用的量子卡西米尔效应原理的类似“暴露组学”──卡西米尔效应平板之间空间中的虚粒子的数目,比正常数目减小造成的“卡西米尔力”导致物体间的“相互吸引”而非“相互排斥”的真空,“0点能”中的“0”,量子色动化学看重的是“数论”中,所指的普世计算的正、负数对,相加或减类似“量子起伏”等于“0”的“0”;但这里的“正、负数对”的“数”,不限于仅是“自然数”,或实数、虚数、复数──从而把物质的“真空”对应“量子起伏”,也分成两大类真空──包含实数“正、负数对”的“数”的“量子起伏”,多于虚数或复数“正、负数对”的“数”的“量子起伏”,称为量子局域性的“量子起伏真空”;而可以等效于量子霍尔效应“电子起伏真空”。反之,包含实数“正、负数对”的“数”的“量子起伏”少,而虚数或复数“正、负数对”的“数”的“量子起伏”多的,称为量子非局域性的“量子起伏真空”;而可以等效于变为量子反常霍尔效应“量子起伏真空”。
由此,一般的磁场效应,类似“电子起伏真空”。它看不到“磁粒子”,而类似量子“波动”效应,且也是“量子非局域性”的。在华为搞科研的姜放教授,2018年公开出版《统一物理学(第2版)》一书中,他推证的空间基本单元“量子”,比标准模型基本粒子夸克、电子、中微子、引力子和胶子等小得多,是素数1595819的个数的聚合。例如,姜放认为构成一个电子的空间基本单元数目,是638327600。即至少是6亿3832万多个,且紧密接触的。由此可见,金属低温超导现象引出了BCS理论,两个自旋相反的电子结成对子,名曰的库伯对,实际类似一幅量子卡西米尔效应平板对。
F、三维量子霍尔效应的斜搭梯子原理
由此总结在凝聚态物理领域重要的科学进展──在超导现象之海,就有几朵浪花。第一朵浪花三维量子霍尔效应的直搭梯子原理,是金属低温超导现象引出了BCS理论,知道了两个自旋相反的电子,可以通过“微信”传情,结成对子,名曰库伯对。这个微信平台,是由金属正离子晶格骨架构成的。两个“男女有别”的电子,通过撞击骨架发出的乒乒乓乓声来互诉衷肠和互送能量,从而失去了独自自由地去远方的诗情。
第二朵浪花三维量子霍尔效应的直搭梯子原理,是铜氧化物高温超导现象引出了高速公路理论,知道了高速公路的运力和最佳车辆密度有关。铜离子的 5个 d 轨道本来是可以半充满的,但是被周围的氧离子挤压得不圆不球之后,只剩下3个能级比较低的可以入住电子的 d 轨道,另外2个 d 轨道的能级太高,电子进不去。结果这些低能级轨道全住满了电子,就像高速公路上划定的非优惠车道上全住满了车子一样,堵塞得大家都动弹不得,结果成了反铁磁的莫特绝缘体。
第三朵浪花三维量子霍尔效应的直搭梯子原理,是超导材料受到高压压缩作用下超导相变温度会有提高的效应。由此可以大胆地猜测,地磁场是由地核中的超导电流提供的,地核中的液态铁受到的超级压缩作用,能使得超导相变温度提高到上千度。即如果继续注入电子,它们就没法再去低能级处占位了,也只好往高能级的那些空轨道上去了,就像高速公路上的双人车优惠车道上进入了少数车辆一样,结果运力又上去了。
这三朵浪花不是孤立无关,超导这种联系的共同基础是,超导相变发生在费米电子的振荡频率小于晶格振子的振荡频率之时,如果把高频率的振子比作墙壁,低频率的振子比作乒乓球,那么超导相变也就是发生在费米电子由墙壁转变成了乒乓球的时候。一个乒乓球在两块木板之间可以借助反复弹跳运动,一路走到很远的地方,这就是超导态。但是一块木板要一路撞开乒乓球才能一路走下去,能量必定会被耗散掉,这就是非超导态。对于液态的地核物质铁来说,它受到的压缩作用是如此的巨大,所以它的晶格振子的频率就天然的够高的了,只需要降低一下费米电子的振荡频率就成了。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-12-7 22:00:53|显示全部楼层
为了承受地壳的巨大向心压力,铁原子核之间的前线电子轨道将由吸引势变成排斥势,继续压缩,仅凭反键轨道结构来提供斥力已经远远不够了。这些电子中必须有一小部分被挤压出去,直接由铁原子核的同性电荷相斥作用来反抗地心压力。根据等离激子的振荡频率与自由电子浓度的平方根成正比的关系,地核液态铁的电子外逸正好降低了费米电子的振荡频率,所以地核液态铁是处于超导态的。固体金属的超导态相变就没那么容易了。固体材料的晶格格点之间的结合力越强,该材料的晶格格点本征振荡频率就越大。
但室温下任何材料的晶格格点都存在无序热运动,这种无序热运动的动能,在量子力学里是把它处理成排斥势。同时把对结合力有贡献的作用处理成吸引势,然后两者加在一起作为一个势能项来解薛定谔方程的。要想提高固体材料的晶格格点本征振荡频率,就须降低格点的无序热运动。随着温度的降低,大量的有自旋值的电子通过晶格交换声子,而凝聚成没有自旋值的库伯电子对,剩下的少量的有自旋值的电子,就有了较低的等离激子振荡频率,可以实现由木板角色向乒乓球角色的转化。可以超导相变的铜氧化物中的自由电子,浓度可能在降温过程中变化不大,但铜氧化物晶格的结合力,可能在降温过程中有突跃式的提高,从而实现两者相对波硬度的反转。材料的弹性模量越大,自旋独立的电子浓度的允许值就越大,超导态下的饱和电流强度就越大,实用意义就越大。
三维量子霍尔效应发现的复旦大学物理学系修发贤课题组,在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到的由三维“韦尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据──类似一个不是竖立而是横向“斜搭梯子”的原理梯形,即类似多层多幅“斜搭梯子”量子卡西米尔效应平板对现象。这种多层多幅“斜搭梯子”平板对,类似微积分计算光滑曲线的积分无限分割曲线为一个个间断的直线片段办法,使修发贤教授才迈向出量子霍尔效应从二维到三维的关键一步的。
这是复旦大学修发贤教授的课题组,在拓扑半金属砷化镉纳米片中,观测到了由韦尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了从二维到三维的关键一步。相关研究成果2018年12月18日在线发表于国际著名的《自然》。然而三维量子霍尔效应真的存在吗?早在130多年前,美国物理学家霍尔就发现,对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场,电子的运动轨迹将发生偏转,在导体的纵向方向产生电压,这个电磁现象就是“霍尔效应”──如果将电子限制在二维平面内,在强大的磁场作用下,电子的运动可以在导体边缘做一维运动,变得“讲规则”“守秩序”。
以往的实验也证明,量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。比如说这间屋子,除了上表面、下表面,中间还存在一个空间。在“天花板”或者“地面”上,电子可以沿着“边界线”有条不紊地做着规则运动,一列朝前,一列向后,像是两列在各自轨道上疾驰的列车。那么,在立体空间三维体系中存在量子霍尔效应吗?
如果有,电子的运动机制是什么?2014年在拓扑半金属领域,选择材料体系非常好的砷化镉“试着研究”,从大块的体材料,到大片的薄膜,再到纳米类结构和纳米单晶,在砷化镉纳米片中看到的现象非常震惊──三维体系里边出现量子霍尔效应──2016年10月修发贤及其团队,第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应。随后,在样品制备过程中借鉴修发贤团队前期已发表的经验,日本和美国也有科学家在同样的体系中观测到了这一效应。但遗憾的是,基于当时的实验结果,实际的电子运动机制并不明确。
把“房子”放歪──这类似量子霍尔效应的斜搭梯子原理,即不是竖立而是横向“斜搭梯子”的原理,这种梯形类似多层多幅“斜搭梯子”的量子卡西米尔效应平板对现象──这个发现来源于韦尔轨道的运动机制──实验材料虽小,从日常生活联系想办法,利用楔形样品,实现可控的厚度变化──屋顶被倾斜了,房子内部上下表面的距离就会发生变化,就类似不是竖立而是横向“斜搭梯子”倾斜的梯形。
而且通过测量量子霍尔平台出现的磁场,可以用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现,电子在其中的运动轨道能量,直接受到样品厚度的影响。这说明随着样品厚度的变化,电子的运动时间也在变。所以,电子在做与样品厚度相关的纵向运动,其隧穿行为被证明,电子在上表面走四分之一圈,穿越到下表面,完成另外一个四分之一圈后,再穿越回上表面,形成半个闭环,这个隧穿行为是无耗散的,所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。整个轨道就是三维的“韦尔轨道”──实现了从二维到三维量子霍尔效应的斜搭梯子原理。
例子是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源,至此三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开了。但这个成果的诞生,在砷化镉的研究方面才刚刚开始──第一次提出新的机制,得到认可,但还有可以深挖的,还有更具体的东西得继续做细做好。所以三维量子霍尔效应类似斜搭梯子的原理,由复旦大学物理学系修发贤课题组,在拓扑半金属砷化镉纳米片中首次观测到开始,由三维“韦尔轨道”形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据,迈出了从量子霍尔效应从二维到三维的关键一步。三维量子霍尔效应类似斜搭梯子原理发现的意义,从基于三维拓扑半金属材料Cd3As2,发现一种新型的量子霍尔效应,提出了三维量子霍尔效应的来源于三维“韦尔轨道”的观点。
利用楔形Cd3As2纳米片,发现样品厚度对量子霍尔输运产生极大的调制。朗道能级与磁场强度以及方向,以及样品厚度的依赖关系,与理论预测符合。在应用方面这个材料体系具有非常高的迁移率,电子的传输和响应很快,可以在红外探测、电子自旋方面做一些原型器件。可见斜搭梯子,这也为实现从二维到三维量子霍尔效应的直搭梯子,到寻找螺旋梯子的出现奠定了基础和扩大了想象思考的空间。
G三维量子霍尔效应的螺旋梯子原理
2018年《科技日报》12月19日记者张梦然报道,英国《自然》杂志发布2018年度遴选出的十位对科学界产生重大影响的科学人物,其中四川出生的年仅22岁的中国物理学家曹原,协助发现了让石墨烯实现超导的方法,开创了物理学一个全新的研究领域,有望最终帮助提高能源利用效率与传输效率。从二维到三维量子霍尔效应的直搭梯子、斜搭梯子、螺旋梯子等三个层次的原理,联系反过来看曹原及其团队的发现,再到与复旦大学修发贤教授课题组发现的比较,在用量子色动化学使用的量子卡西米尔效应原理来统一解释上,和薛其坤院士团队的发现,也有本质一致的地方。
曹原将两层石墨烯叠加在一起,当转角接近魔角即1.1°、同时温度环境达到1.7K(-271℃)时,它们会表现出非常规超导电性,其属性与铜氧化物的高温超导性类似双层石墨烯系统中旋转的效应。其实要想理解什么是超导电性。1911年荷兰物理学家昂内斯等人发现当汞被冷却至接近0K(-273℃)时,电子可以通行无“阻”,而将这个““零电阻状态”称为“超导电性”。超导体的出现,使传输过程中的能量损耗几乎为零。目前绝大多数超导体仅在接近0K(-273℃)温度下工作,维持低温使超导体的应用成本显著提升。如果材料能在室温下实现超导,就能避开昂贵的冷却费,彻底改变能量传输、医疗扫描仪和运输等相关领域的现状。但要找到室温超导合适的材料却不简单。目前材料达到超导状态的最高温度约为133K(-140℃),这种材料就是在20世纪80年代发现的铜氧化物。30多年来铜氧化物一直是物理学家关注的焦点,但铜氧化物的结构往往难以调整,很难通过实验发现其实现超导的机制。
从三维量子霍尔效应的螺旋梯子原理解读曹原的超导研究工作,就是用石墨烯代替氧化铜,让两层石墨烯沿着法向轴相对旋转一度以形成轴向绝缘体,用电场注入载流子代替掺杂配方注入载流子,结果再次证明了高速公路的运力与最佳车辆密度有关。而曹原将两层石墨烯迭加在一起,当转角接近魔角即1.1°的超导现象,其本质的量子卡西米尔效应平板对原理,并没有实质性的变化。这里的奥秘,从二维到三维量子霍尔效应的直搭梯子,仍然属于二维面的直线联系,上下面之间的距离小,增大距离费力。三维量子霍尔效应的斜搭梯子,上下面之间的距离可增大,类似直搭梯子上下面小距离的多层迭加,所以上下面之间的直线距离可增大,实现三维量子霍尔效应类似人爬直搭梯子少费力,但斜搭梯子比直搭梯子类似占地方面积最多。
总起来说,螺旋梯子搭梯子继承斜搭梯子上下面小距离的多层迭加,且占地方面积少,类似人爬梯子费力比直搭梯子也少,实现三维量子霍尔效应的上下面之间的距又可增大。读曹原论文,由此其中最重要发现的旋转双层石墨烯在接近魔角时,会经过一个转变变成一个莫特绝缘体,也确实类似“魔角”──而曹原以确凿的证据,也观测到了这个绝缘相──这就是螺旋梯子原理。

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 楼主|王德奎 发表于: 2020-12-7 22:01:59|显示全部楼层
五、在自旋暗物质材料中寻找造量子计算机
1左芬--金贤民--曹原--叶芳伟现象预示着什么
A叶芳伟发现莫尔角调节下的空间光孤子
2018年3月曹原所在的麻省理工学院课题组(MIT)在~1.1°魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态,可以简单实现绝缘体到超导体的转变,打开了非常规超导体研究的大门,引来了石墨烯新的研究热潮。1+1>2,实物质与暗物质结合也能相辅相成。合作共赢成为量子材料领域比较普适的法则,前面提到的左芬、金贤民、曹原等三人,也类似合作落实做“暗物质”造量子计算机要的材料研究。
2020年11月9日《中国科学报》发表的《科学家首次发现莫尔角调节下的空间光孤子》一文,报道上海交通大学叶芳伟教授课题组在国际上,首次将莫尔晶格的研究推进到非线性光学范畴,发现莫尔角调节下的空间光孤子,引起了国际学术界的广泛关注──神奇的石墨烯莫尔角--魔角,叶芳伟教授的加盟,更有启示寻找暗物质在自旋双层石墨烯中,有扭角、魔角,还有“莫尔角”要说。
左芬──曹原--叶芳伟现象预示着什么?是暗物质→量子计算机→二维材料石墨烯→莫尔晶格更多新奇独特的物理性质的方向→莫尔角调节下的空间光孤子→量子色动化学,形成了一个可专门研究的扭曲学。石墨烯→魔角石墨烯→量子色动化学之间,环量子计算机与量子色动化学,量子色动化学与环量子计算机,是什么?
英文科技翻译,莫特(Mott)--莫尔(moiré)--摩尔(moiré),三者是不是一个人?莫特绝缘体、莫特性质;莫尔晶格、莫尔角、莫尔条纹;摩尔元胞、摩尔超晶格、摩尔纹等之间,有没有联系?中文与英文,都同音会有不同词义字的写法。从翻译来看,莫特(Mott)和莫尔(moiré)是两个不同的人;莫尔(moiré)和摩尔(moiré)是同一个人。在中文科技讨论时,为了不弄得太复杂,莫特绝缘体、莫特性质;莫尔晶格、莫尔角、莫尔条纹;摩尔元胞、摩尔超晶格、摩尔纹等之间,可以看成有联系。叶芳伟教授课题组最近在英文期刊《自然--光子学》上,发表的光子莫尔晶格就是这方面的联系。
叶芳伟教授研究大名鼎鼎的二维材料──石墨烯,即从石墨中单独取一层出来研究,发现由两层石墨烯堆迭而成的莫尔结构,在某个特定的转角下,当加以适当的偏压时,会很神奇地呈现出超导性──电流在其中流动时完全没有损耗。这种超导性是单层石墨烯所完全不能想象的 。接着叶芳伟教授研究发现并揭示了一种新的波包局域机制:基于莫尔晶格的极平带结构,利用光学诱导的办法,将两个周期晶格写入到同一块晶体中,得到了首个高度可调的光子莫尔晶格。
借助于该莫尔晶格的连续可调性,并通过大量的数值模拟和实验证实,叶芳伟教授发现了波包在莫尔晶格中,随着两个周期晶格的相对权重和它们之间相对转角的变化,波包在莫尔晶格中演化时,出现了波形散开和局域的显著变化。例如,在空间光孤子方向上,在均匀材料(非局域非线性材料)和周期结构(金属纳米线周期阵列)中,首次发现了莫尔晶格这类准周期晶格中的空间光孤子──在绝大部分莫尔角度(此时莫尔晶格呈现“不可约”相)下,激发莫尔晶格中的空间光孤子所需的阈值功率几近为零。
对于由两个方形晶格构成的莫尔晶格,这些特殊角其实是勾股角,而此时对应的莫尔晶格则回归为周期晶格(“可约”相),能带结构的曲率达到最大,因此形成孤子所需的阈值功率也达到最大。叶芳伟教授进一步研究发现孤子的功率阈值随着勾股角级次的升高急剧降低,意味着高阶勾股角下的莫尔晶格,也支持极低功率条件下的光孤子。
B、量子色动化学解读魔角石墨烯
从量子色动化学→环量子计算机,为啥光束能被莫尔晶格局域对“暗物质”造量子计算机有用?这里先说啥是“量子色动化学”?
这是指联系真空量子起伏和真空中类似两块平行金属板之间存在某种吸引力,这种吸引力被称为卡西米尔力──这样可以把原子核里的质子,按卡西米尔平板效应的系列化,编排成相似于门捷列夫元素周期表──按原子核里的质子数卡西米尔效应化造型的不同图形。
具体解读魔角石墨烯及其光孤子反应的起伏,是把碳原子核类比于卡西米尔平板,碳核的6个质子构成的五面立方体,类似形成一对卡西米尔平板效应──卡西米尔效应需要两片平行的平板,三角形平板就需要6个点,这类似碳基。如果把这些“点”看成是“质子数”, 碳基6个质子虽然比氧基8个质子用得少,而且比较量子卡西米尔力效应,氧核8个质子点的立方体是上下、左右、前后,可平行形成3对卡西米尔平板效应,它是不论方位的;而碳核6个质子点的三角形连接的五面立方体,只有一对平板是平行的。但把这种量子色动化学织造器,拟设到原子核里的量子波动起伏里,碳基则比氧基的堆垛更好更妙。如原子织造“模拟”高温超导,干脆采用层状原子堆垛的方式,来人工构造层状超晶格,会加强质子结构的量子卡西米尔力效应。
由此这种几何结构,就有量子色动化学的内源性和外源性之分。
碳,作为周期表乃至地球上最引人瞩目的元素之一,存在于我们生活中近乎九成以上的已知物质中。而关于碳的每次突破都备受关注──发现60 个碳原子组成的足球结构“巴基球”碳-60的所属的富勒烯家,获得1996 年的诺贝尔化学奖。接下来发现几厘米长,直径在 1 纳米左右,由碳原子组成的管状结构──碳纳米管。再是耳熟能详的石墨烯发现,获得2010 年的诺贝尔物理学奖。又是合成出一个由 18 个原子组成的环状纯碳分子等。
总之,从二维材料──石墨烯单独取一层或由两层石墨烯堆迭而成的莫尔结构──莫尔晶格、莫尔角、莫尔条纹;摩尔元胞、摩尔超晶格、摩尔纹来看,其实是很多碳量子色动化学的有序组合排列。
从量子色动化学→环量子计算机,回采普通的化学反应到核化学反应,都是以元素周期表中,元素原子的原子核所含的质子数,可分和不可分的变化来决定的;但都不讲大尺度结构部分子无标度性实在的量子色动化学──这类似把质子和中子等粒子,都看成是“平等的人”,但在结构的代表性上,类似社会结构中领导和其他成员,编码是不同的。把卡西米尔力效应引进到原子核,如果质子数不是一个简单的强力系统,而是有很多起伏,也就能把“碳核”包含的相当于卡西米尔力平板的“量子色动几何”科学“细节”设计出来。
C、量子色动化学解读魔角石墨烯的例子
1)首先说晶格图形。维格纳晶体图,比莫特绝缘体更类似“量子色动化学织造器” ──二维空间中三角晶格结构的维格纳晶体,图中拟设用红色三角形和蓝色方形表示晶体中的拓扑缺陷。量子色动化学的真空“暗物质起伏”,可类比想象一群人,每一个人都在一个大圆球里面,他们在一个封闭的房间里四处跑动。
如果圆球比较小,他们可以自由移动;但是随着圆球逐渐变大,他们彼此之间的碰撞会更频繁,以至于最终到了某个临界点,所有人都卡在自己的位置上寸步难行,因为任何人的一点点移动,都会被旁边的人立刻阻止。晶体基本上就是这个样子。这些人相当于电子,圆球的大小相当于他们之间的库伦排斥力的强度。这种图氧量子色动化学却不好表示。碳量子色动化学是将一层石墨烯,扭转一定角度放在另一层石墨烯上,两层蜂巢结构彼此抵消而出现摩尔纹。
通过向双层石墨烯中注入电子,能得到新的物相。这可以通过研究摩尔纹上额外掺杂的电子来理解──通过增加电子密度,可观察到,如果一个摩尔元胞中包含2到3个电子时,材料表现为绝缘态。这是莫特绝缘体的例子。 1934年尤金•维格纳,第一次预言了一种电子的晶体相──维格纳晶体很难通过实验实现,因为量子涨落的强度会超过库伦排斥作用,并迅速导致无序。

 楼主|王德奎 发表于: 2020-12-7 22:02:32|显示全部楼层
在材料科学和量子物理中,称为“魔角”扭曲双层石墨烯中的莫尔条纹,和平带相关行为,可观察到扭曲双层石墨烯中的超导性和类莫特绝缘体状态,扭转角约为0.93度。这个角度比之前研究中计算的“魔角”角度(1.1°)小15%,显示扭曲双层石墨烯的“魔角”范围,比之前预期的要大。这为破译扭曲双层石墨烯中的强量子现象提供了丰富的新信息,可用于环量子计算机中的应用──相邻范德瓦尔斯层之间的相对扭曲角,以产生石墨烯中的莫尔条纹和平带,已经成为一种新的和独特适合于显着改变、定制基于二维材料的设备属性,以实现电流流动的方法,证明了当两个单层石墨烯层以θ=1.1±0.1°的“魔角”扭转角度堆迭时,出现了非常平坦的带。
2)其次说“魔角”之奇。量子色动化学--石墨烯这种新兴的莫尔铁电特性有望实现超快速,可编程且原子级超薄的碳基存储设备。
为啥?双层转角石墨烯的谱学表征量子色动化学图,这种材料由两层碳原子堆迭而成,两层蜂窝状碳原子晶格不完全对齐。尖端和样品中的电子态分别被填充到特定的能量。在外加的电压下,这两个能量的差值可以调控并导致电子在尖端和样品之间发生“隧穿”。
这种电子隧穿现象会产生可测量的电流信号,尖端中的电子态密度可以近似认为与能量无关,此时电流关于偏压的变化(dI/dV)正比于样品中的电子态密度。实验可直接观测到双层转角石墨烯中的莫尔条纹。通过观察沿不同方向条纹之间的间距变化,可定量测量系统中的应变,还能揭示由两片石墨烯的层间相互作用所造成的碳原子在空间不同位置的位移。石墨烯以及其他相关材料的转角多层系统,具有简单的化学性质和高度可调的灵活度(比如电子密度),这些系统有希望成为关联用“暗物质”造量子计算机理论的通用测试平台。
莫尔晶格中经常可见将两个周期结构重迭在一起、并且彼此之间转过一定的角度,人们会在其上看到明暗相间的条纹,此即莫尔条纹──拿起两把梳子,将其重迭并相互转过一个小角度,便能看到明暗相间的条纹──莫尔条纹。利用两把梳子展示的莫尔条纹,这可能是最简单的莫尔条纹。实际上留心观察,会看到莫尔条纹在艺术设计、纺织业、建筑学、图像处理、测量学和干涉仪等方面都有一些独特的应用。在扭曲双层石墨烯中,实验观察到超晶格第一个微带(结构特征)在“魔角”处半填充时的绝缘相。出人意料地0.93±0.01的扭曲角,这比已经建立的“魔角”小了15%,并且显示出超导特性。
这表明新的关联态可以出现在“魔角”扭曲双层石墨烯中,低于初级“魔角”,超出石墨烯的第一个微带。为了建造这些“魔角”扭曲双层石墨烯设备,可使用“撕裂和堆迭”的方法──如封装了六边形氮化硼(BN)层之间的结构图,成霍尔棒几何形状,具有多根导线耦合到Cr/Au(铬/金)边缘触点。并在用作背栅的石墨烯层的顶部,制造整个“魔角”扭曲双层石墨烯器件。
利用氮化硼衬底上外延的单晶石墨烯薄膜, 在电子端和空穴端都可观测到超晶格狄拉克点, 并且超晶格狄拉克点同本征狄拉克点类似, 都表现出绝缘体的特性。在低温强磁场下, 可以观测到到单层石墨烯和双层石墨烯的量子霍尔效应。并且,从朗道扇形图中, 可以清晰看到磁场下形成的超晶格朗道能级。此外, 利用红外光谱的方法,观察强磁场下石墨烯超晶格体系不同朗道能级之间的跃迁, 发现这种跃迁满足有质量狄拉克费米子的行为, 对应38 meV的本征能隙。
在此基础上, 在380meV位置发现一个同超晶格能量对应的光电导峰. 通过利用旋量势中三个不同的势分量对光电导峰进行拟合, 发现赝自旋杂化势起主导作用. 表明赝自旋杂化势强度随载流子浓度的增大显著降低, 表明电子--电子相互作用引起的旋量势的重构。在ABC--三层石墨烯以及六方氮化硼(hBN)摩尔超晶格中,发现可调超导性特征。与“魔角”双层石墨烯不同,石墨烯是碳原子组成的蜂巢状晶体的片状石墨,但是厚度只有单个原子,是一种二维材料。单层的石墨烯在超低温下具有超导电性。如果将双层石墨烯扭转成特定角度──被称为“魔角”石墨烯──材料表现为莫特绝缘体。
然后向这种绝缘体施加微弱的电场,也就是掺杂电子,双层石墨烯就会表现出非常规超导性,类似于高温超导铜氧化物。在扭转双层石墨烯中的旋转效应:a. 当双层石墨烯被扭曲时,上层薄片被旋转使得无法与下层薄片对齐,从而让元胞得到扩展。b. 对于小角度的旋转,就会出现所谓的“摩尔纹”,其中局部堆迭的排列呈周期性变化。“魔角”石墨烯的绝缘行为并不是莫特绝缘,而是更为深刻的维格纳晶体。基于魔角石墨烯的莫尔超晶格,非常规的铁电性和磁性控制,发现超常规铁电性铁电材料通常由晶胞内正负电荷的平均中心之间的空间分隔形成,具有可电切换的电偶极子。
一般而言,石墨烯(仅由碳原子组成的材料)并不会表现出铁电性。在基于石墨烯的莫尔异质结构中发现非常规铁电性能,在两个六方氮化硼层之间的伯纳尔堆迭双层石墨烯中,实现了可切换的铁电。通过使双层石墨烯与顶部或底部氮化硼晶体对齐,引入莫尔超晶格电势后,石墨烯电阻具有明显的磁滞行为。位移场和电子填充的响应函数无比惊人,超出了常规铁电体的范围。进一步利用非局部单层石墨烯传感器直接探测铁电极化,发现在双层石墨烯/氮化硼莫尔系统中,存在一种非常规的奇偶校验电子排序。长期以来,自旋磁性只能通过电场间接控制在该磁性体系中,非平整带拓扑结构有利于轨道角动量的长程阶数,但自旋仍然存在无序。使用双层旋转堆迭的石墨烯组成的范德华异质结,作为实现狭窄且拓扑学上不重要的谷投影莫尔微带,在这些带内,每个摩尔单元晶胞填充1到3个电子时,就能观察到量子反常霍尔效应,其横向电阻大约等于h/2e2(其中h是普朗克常数,e是电子上的电荷)。当每个摩尔单位晶胞中填充3个电子时,可以通过对化学势的场效应控制来逆转量子反常霍尔效应的征兆。
这种转变具有一定的滞后性,可用来证明非易失性电场引起的磁态逆转。这种效应是由拓扑边缘状态引起的,该状态驱动磁化特征的变化,进而促进更有利的磁状态发生逆转。六角晶格,每个摩尔元胞中只有一个电子,具有金属导电性。蜂巢晶格,每个摩尔元胞包含2个电子的绝缘态,和每个摩尔元胞包含3个电子的绝缘态。在量子材料中,那些在多个自由度或能量尺度上达到微妙平衡的现象,是暗物质凝聚态物理研究的基本兴趣。当具有相似晶格常数的两个单层石墨烯垂直堆迭且略微未对准时,则会呈现出周期性莫尔图案,从而改变材料的电子态和相变,将二维莫尔超晶格推向前沿研究的制高点。
“魔角”之奇,是当两个几何规则的图案重迭的这种效果图案,曾织物和时装中流行。在扭曲石墨烯中,莫尔晶格的物理结构会产生能量状态,阻止电子分开,使电子无法相互离开,相反,它们必须处于相似的能级。这种纠缠是否与量子计算机理论及其超导性有关呢?无论是电子“引流”还是原子“积木”实践,高温超导现象并不孤单,它完全可以通过人工调控和结构织造来“模拟”再现其物理。
3)再次说孤子传播。莫尔晶格中的局域代表了一种全新的局域方式──莫尔晶格对应的准能带结构中各级能带都是极平带,因此光子在莫尔晶格里失去了动能,自然无法扩散,只能局域。
众所周知,德布罗意在其提出的物质波假设中,指出粒子具有波动性。如拿实物粒子(电子)做双缝实验,能在衍射屏上看到明暗相间的干涉条纹。反过来,波也具有粒子性。最能生动体现这一点,就要属光孤子。光孤子是指非线性效应平衡衍射或色散效应,从而在演化过程中始终保持波形不变的一束光或一个光脉冲。与经典粒子一样,光孤子之间也可以发生碰撞,并能呈现出一切可能的碰撞形式:弹性碰撞、完全非弹性碰撞、碰撞后湮灭或分裂、形成类似于DNA分子结构的螺旋运动等。光孤子具有的粒子性使其在携带光信息、实现光控光方面具有重要的应用价值,因此,光孤子一直是非线性光学领域内最为前沿的研究方向之一。
而光孤子的研究,始终和材料的发展与结构的设计紧密联系在一起。在大块材料或者均匀环境中,由于需要平衡天然的衍射和色散效应,光孤子的形成一般需要极高的激光功率。相对应地,在周期系统(如波导振列或者光子晶体结构)中,借助于能带设计,人们可以调控衍射和色散的强度,从而降低形成光孤子的阈值功率,但即便如此,阈值功率依然处于较高的水平上。光孤子具有的粒子性,使其在携带光信息、实现光控光方面具有重要的应用价值,因此,光孤子一直是非线性光学领域最为前沿的研究方向之一。光孤子是指非线性效应平衡光的散开效应,从而在演化过程中始终保持波形不变的一束光或一个光脉冲。与经典粒子一样,光孤子之间也可以发生碰撞,并能呈现出一切可能的碰撞形式:弹性碰撞、完全非弹性碰撞、碰撞后湮灭或分裂等。孤子的阈值功率随莫尔角的变化。当莫尔角约为36.8°(一阶勾股角)时,孤子的阈值功率达到最大。所涉及的莫尔晶格为两个振幅比为5:1的方形晶格迭加而成。

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