四新材料真高妙，科學家想怎么搞？

材料牛注：拓撲絕緣體、多鐵性材料、光學冷原子體系、量子計算材料四大類新材料，以其新奇的物理性質榮登Quora“有趣材料榜”。物理學家“謝邀樂答”，從物理本質出發闡釋四新材料的未來應用。

何為最有趣的新奇材料？這一問題最早出現在Quora上。

物理學家David Toyli博士在Quora上回答道：“物理學家眼中最新奇有趣的材料有以下幾種。”

拓撲絕緣體

拓撲絕緣體是最近發現的一類材料，內部態絕緣而表面態導電。這種表面態具有特殊的性能，可以將電學載流子的自旋與其動量關聯在一起。在這種狀態下，自旋和動量彼此的角度是合適的，可以大幅度抑制載流子被散射的路徑從而減小能耗，有望用于新一代節能電子器件。拓撲絕緣體是當今物理與材料科學領域中的研究熱點之一。不過，我們依然可以對一些具體的材料體系（如Bi₂Se₃)做一些合理的展望：廣泛意義上的拓撲絕緣體理論在多大程度上適用于這些現實的材料體系中呢？

多鐵性材料

話新說趣味不減。作為一類發現較早的材料，有希望在當今熱門的信息存儲領域大展威力。簡單來說，多鐵性材料表現出了多種類型的長程有序、典型的有鐵磁性和鐵電性。在許多化合物（如BiFeO₃）中，存在磁電有序耦合，因而磁性能可以通過電場加以控制。類比而言，研究人員也在尋找基于鐵電材料中磁電耦合的器件。如果能夠實現用電場來調控鐵磁性，這將為低能耗電子器件鋪平道路。普遍的磁信息存儲器件——硬盤，就是基于磁性原理，但是信息的讀寫需要消耗很大的能量，用于產生磁場。如果磁性信息可以由電場來操控，那么將有望制備出低能耗電子器件。

需要注意的是：利用電場來操縱磁性制備自旋低能電子器件的研究大概已有20余年的歷史。在Quora原文中有自旋電子領域大牛——IBM公司的Prof. Stuart Parkin關于這方面的講說視頻，深入淺出，值得一看。

光學晶格中的超冷原子

這個概念有些抽象，但是原子物理領域的科學家已經取得了穩步進展，利用激光束捕獲超冷原子并進行材料的設計。相反方向傳播的激光發生干涉，可以產生一種周期勢場，將原子“囚禁”在勢能最低處。這種周期性的原子排布類似于日常晶體中的原子排布。這種方法的優點在于，可以在光學晶格中產生大量的自由度，進而控制原子之間的相互作用。由于薛定諤波動方程和光學晶格的波動是相通的，這種控制可以模擬復雜原子體系，也就是所謂的量子模擬，進而更好地理解固體物理中的磁化或者超導現象。舉兩個實例，一個是在光學微腔體系中可以用超冷原子制備出的量子液晶相，另一個例子是在激光束條件下，利用超冷原子證明了在III-V族半導體如GaAs和Bi₂Se₃拓撲絕緣體中十分重要的自旋軌道相互作用。想想也是十分神奇！現代科技中如此重要的GaAs和材料竟然可通過超冷原子模擬展現出新的物理現象！

用于量子計算的材料

量子計算是現代物理學界研究的另一熱點，不過材料科學在其中起到的作用常常被忽視，特別是在量子計算中的固態存儲器，材料科學往往起著很重要的作用。組建一個量子計算機需要控制某些特定原子或者電子與整個環境（其中可能包含著數十億阿伏伽德羅數目的微粒）的相互作用。這是一個難以想象的困難，而材料科學在其中的作用重大。以德國科學家最近實現金剛石晶體中捕獲單電子自旋的成果為例，對金剛石晶格經過加工，從天然狀態的包含99%C12+1%C13改造成100%C12的，可以將某一種量子態的時間尺度延長一個數量級。壽命更長的量子態對于實現各種量子計算具有十分重要的意義。

原文鏈接：4 Amazing New Materials That Science Doesn't Quite Know What To Do With Yet.

本文由材料人編輯部月亮提供素材，范鈴羚編譯，萬鑫浩審核，點我加入材料人編輯部。

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