美國倫斯勒理工學(xué)院研究人員制造出首個在室溫下運行的強光物質(zhì)相互作用拓撲量子模擬器，其寬度與人類發(fā)絲相當(dāng)。這一裝置將幫助物理學(xué)家研究物質(zhì)和光的基本性質(zhì)，支持從醫(yī)學(xué)到制造業(yè)等諸多領(lǐng)域高效激光器的開發(fā)。相關(guān)論文發(fā)表在5月24日的《自然·納米技術(shù)》雜志上。

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研究人員開發(fā)的光子拓撲絕緣體

這種裝置由一種稱為光子拓撲絕緣體的特殊材料制成。光子拓撲絕緣體可引導(dǎo)光子到達材料內(nèi)部專門設(shè)計的界面，同時還可以防止這些光子通過材料本身散射。由于這種特性，拓撲絕緣體可使許多光子像一個光子一樣連貫行動。這些裝置還可用作拓撲“量子模擬器”，讓研究人員在這些微型實驗室中研究量子現(xiàn)象。

研究人員表示，他們制造的光子拓撲絕緣體具有獨特性，可在室溫下工作，這是一個重大進步。此前的研究只能使用大型昂貴的裝置，而且是在真空中對物質(zhì)進行超冷卻。新型裝置不僅為更多科學(xué)家提供了在實驗室進行基礎(chǔ)物理研究的便利，而且為開發(fā)低能耗激光器帶來了更廣闊的前景。這是因為，新裝置的室溫工作能量閾值僅為傳統(tǒng)低溫裝置的七分之一。

開發(fā)新裝置的技術(shù)與半導(dǎo)體行業(yè)制造微芯片的技術(shù)相同，需要將不同材料層逐個原子、逐個分子地疊在一起，創(chuàng)建具有特定屬性的理想結(jié)構(gòu)。

為了制造這種新裝置，研究人員培育了超薄鹵化物鈣鈦礦板材，并在其頂部蝕刻了一種帶有圖案的聚合物。他們將這些晶體板和聚合物夾在各種氧化物材料薄片之間，最終形成一個約2微米厚、100微米見方的物體（人類頭發(fā)的平均寬度約為100微米）。激光照射到設(shè)備時，界面上出現(xiàn)發(fā)光的三角形圖案。該圖案由設(shè)備設(shè)計決定，是激光拓撲特性的結(jié)果。

研究人員表示，能夠在室溫下研究量子現(xiàn)象令人興奮，這意味著材料工程將幫助人們解答一些科學(xué)上的重大問題。