即使是最杰出的科學(xué)理論也需要數(shù)據(jù)和證明，就在今年，人類(lèi)有史以來(lái)第一張黑洞圖像終于提供了支持愛(ài)因斯坦百年理論所需的證據(jù)。

量子材料對(duì)這種需求并不陌生，賓夕法尼亞大學(xué)查爾斯·凱恩和尤金·梅萊提出關(guān)于拓?fù)浣^緣體（內(nèi)部絕緣體，表面是導(dǎo)體的材料）的突破性獲獎(jiǎng)理論，成為物理研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)，希望幫助工程師開(kāi)發(fā)更高效的光電子器件或量子計(jì)算機(jī)?？茖W(xué)家們實(shí)驗(yàn)室正在生成數(shù)據(jù)，以幫助將量子材料領(lǐng)域的這些和其他想法帶入到生活應(yīng)用中來(lái)。

研究人員專(zhuān)注于光學(xué)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)可以幫助理論和實(shí)驗(yàn)方面的科學(xué)家理解這類(lèi)材料，有時(shí)還會(huì)在這個(gè)過(guò)程中做出新的發(fā)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室的大部分工作都是“例行公事”，驗(yàn)證理論家的預(yù)測(cè)，但有時(shí)實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)理論無(wú)法預(yù)測(cè)，意想不到的東西。在這兩種情況下，兩種類(lèi)型的研究小組之間，在運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，理解結(jié)果，以及計(jì)劃額外的實(shí)驗(yàn)以幫助確認(rèn)新假設(shè)之間都有相當(dāng)大的合作。研究人員進(jìn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)，以研究光與量子材料相互作用的方式。

該小組正在研究非線(xiàn)性響應(yīng)區(qū)域中的效應(yīng)，在非線(xiàn)性響應(yīng)區(qū)域，輸入和輸出之間的關(guān)系要建模得更復(fù)雜，光學(xué)是我們很好地理解線(xiàn)性效應(yīng)的領(lǐng)域之一，但更有趣的往往是非線(xiàn)性響應(yīng)，這很難處理，但非常有用。研究人員致力于太赫茲信號(hào)的研究，這種信號(hào)是肉眼看不見(jiàn)的亞毫米波。使用磁性拓?fù)洳牧蟻?lái)研究物質(zhì)和光之間的相互作用。這項(xiàng)研究最終可能促使更高效的太赫茲發(fā)射器和存儲(chǔ)設(shè)備，其執(zhí)行速度可以比現(xiàn)有平臺(tái)快1000倍。

科學(xué)家們正在研究拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體之間的相互作用，以幫助制造更穩(wěn)定的量子計(jì)算設(shè)備。當(dāng)前的量子信息存儲(chǔ)設(shè)備非常脆弱，因此數(shù)據(jù)很容易丟失或擾亂。通過(guò)基礎(chǔ)研究，科學(xué)家們希望找到一種可以在拓?fù)湎嘀写鎯?chǔ)量子態(tài)的材料，以獲得更長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。同時(shí)已建立了三種不同的非線(xiàn)性光學(xué)裝置，并正在探索拓?fù)洳牧系幕緦傩?，這種材料可以有效地將光轉(zhuǎn)換為電流。一個(gè)目標(biāo)是找到可以更快地開(kāi)啟和關(guān)閉的光電材料，這將使它們更節(jié)能。

初步研究已經(jīng)找到了一些可能的競(jìng)爭(zhēng)者，現(xiàn)在正在與理論家合作開(kāi)發(fā)新的模型，以理解正在收集的數(shù)據(jù)。這項(xiàng)研究有潛力創(chuàng)造出能夠幫助人們更好地感知環(huán)境的設(shè)備，這可能對(duì)士兵的態(tài)勢(shì)感知特別有用。了解磁性Weyl（外爾）半量和多重費(fèi)米子基本性質(zhì)將為應(yīng)用新的技術(shù)范式奠定基礎(chǔ)，包括用于信息處理的自旋電子存儲(chǔ)器件，節(jié)能電子和太赫茲源。該小組的大部分時(shí)間都花在調(diào)整和運(yùn)行光學(xué)實(shí)驗(yàn)上，這項(xiàng)工作需要大量的時(shí)間和耐心“這是一個(gè)很大的飛躍”，從理解理論到建立和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

盡管工作面臨挑戰(zhàn)，但設(shè)置和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)是一個(gè)很好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。對(duì)拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體之間相互作用的研究，受到量子計(jì)算應(yīng)用的推動(dòng)，有機(jī)會(huì)從事具有挑戰(zhàn)性的光學(xué)實(shí)驗(yàn)是令人難以置信的回報(bào)。在接下來(lái)的幾年里，研究小組將繼續(xù)專(zhuān)注于基礎(chǔ)拓?fù)洳牧涎芯?，盡管很難知道這樣一個(gè)年輕領(lǐng)域的未來(lái)會(huì)是什么樣子。這是一個(gè)新的領(lǐng)域，有很多機(jī)會(huì)，但它也可能在數(shù)年內(nèi)失去熱度。

博科園｜研究/來(lái)自：賓夕法尼亞大學(xué)

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