Digging into the 3D Quantum Hall Effect | 探究3D量子霍爾效應(yīng)

理論物理學(xué)家用電子-聲子相互作用來解釋最近對電子系統(tǒng)中3D量子霍爾效應(yīng)的觀察發(fā)現(xiàn)。

1980年2月，克勞斯·馮·克里琴（Klaus von Klitzing）進行了一項發(fā)現(xiàn)，揭開了物理學(xué)史上最激動人心的篇章之一。他制備了一種半導(dǎo)體器件，其中包含的電子被限制在單層中。這種所謂的二維電子氣體已經(jīng)為物理學(xué)家所熟知。但是，當(dāng)馮·克里琴（von Klitzing）將其置于極低的溫度和極高的磁場中時，他發(fā)現(xiàn)一種內(nèi)秉的電子特性，即霍爾電阻，以量子化的形式、僅為整數(shù)倍的h/e^2出現(xiàn)[1]。這些值的極高精確度以及它們對樣品雜質(zhì)的不敏感性，最終導(dǎo)致了量子霍爾電阻被用來根據(jù)基本常數(shù)重新定義單位（kg/千克以此被重新定義）。但可能鮮為人知的是，物理學(xué)家一直在追求量子霍爾效應(yīng)（QHE）的3D版本已有30年了。實驗在2019年取得了成功[2]?，F(xiàn)在，理論家們正在用一種涉及波狀電子密度的模型來解釋這些結(jié)果。他們的模型可以幫助擴展3D QHE領(lǐng)域[3]。

1. K. von Klitzing et al., “New method for high-accuracy determination of the fine-structure constant based on quantized Hall resistance,” Phys. Rev, Lett. 45, 494 (1980).

2. F. Tang et al., “Three-dimensional quantum Hall effect and metal–insulator transition in ZrTe5,” Nature 569, 537 (2019).

3. F. Qin et al., “Theory for the charge-density-wave mechanism of 3D quantum Hall effect,” Phys. Rev. Lett. 125, 206601 (2020).

https://physics.aps.org/articles/v13/170

A Phase Diagram for Wrapping | 包裹的相圖

研究人員發(fā)現(xiàn)了決定細(xì)胞膜何時將塑料粒包裹起來的條件，從而洞悉生物如何與病毒、微塑料和其他物體相互作用。

當(dāng)細(xì)胞饑餓時，它會將附近的食物顆粒包裹在其外膜的一部分上，從而形成一個包含食物的小袋。細(xì)胞以相同的方式吸收液體和攝入病毒，因此了解進行包裹過程所需的條件非常重要?，F(xiàn)在，蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的Eric Dufresne和他的同事已經(jīng)通過實驗繪制出了塑料珠和模型膜的這些條件[1]。研究結(jié)果可以幫助研究人員了解微塑料何時會進入細(xì)胞。

1. H. T. Spanke et al., “Wrapping of microparticles by floppy lipid vesicles,” Phys. Rev. Lett. 125, 198102 (2020).

https://physics.aps.org/articles/v13/s143

Vetting Neutral Nitrogen Vacancies | 審視中性氮空腔

新實驗確定了電中性氮空腔的激發(fā)能級，這是量子信息應(yīng)用所需的信息。

氮空腔是鉆石晶體中的小缺陷，可以在量子信息和傳感技術(shù)中發(fā)揮許多功能。負(fù)電的空腔（帶有一個額外電子的中心）已被證明是最有用的，但是缺陷也處于未被研究的中性狀態(tài)?，F(xiàn)在，來自荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的西蒙·拜爾（Simon Baier）和他的同事進行了一系列的光譜實驗，揭示了中性空腔的激發(fā)態(tài)，這些信息可以提高氮空腔的適用性[1]。

1. S. Baier et al., “Orbital and spin dynamics of single neutrally-charged nitrogen-vacancy centers in diamond,” Phys. Rev. Lett. 125, 193601 (2020).

https://physics.aps.org/articles/v13/s142

A Lone Attosecond Electron Pulse | 單獨的阿秒（1×10?18）電子脈沖

研究人員產(chǎn)生了分離的高能電子脈沖，這些電子脈沖有望實現(xiàn)超快的電子成像。

產(chǎn)生阿秒光脈沖的能力徹底改變了超快過程的研究，例如揭示了原子中電子的運動。阿秒電子脈沖可能與光學(xué)上的對應(yīng)者一樣具有革命性，但到目前為止，科學(xué)家只能產(chǎn)生數(shù)百個脈沖長的脈沖串?，F(xiàn)在，慕尼黑路德維希·馬克西米利安大學(xué)的森本之彌（Yuya Morimoto）和德國康斯坦茨大學(xué)的彼得·鮑姆（Peter Baum）找到了一種分離的單個阿秒級電子脈沖的方法[1]。通過提供電子顯微鏡的空間分辨率，此控件有望實現(xiàn)超快成像。森本和鮑姆說，他們的技術(shù)還可以應(yīng)用于基于芯片的粒子加速器和量子信息處理技術(shù)。

1. Y. Morimoto and P. Baum, “Single-cycle optical control of beam electrons,” Phys. Rev. Lett. 125, 193202 (2020).

https://physics.aps.org/articles/v13/s140

A Tune for Lowering Lattice Friction | 降低晶格摩擦的音調(diào)

將聲源放在樣品上，可以消除樣品在固體表面移動時，由于原子缺陷引起的能量耗散。

當(dāng)晶體材料發(fā)生非彈性變形時，晶格中的原子失去一些最近的相鄰原子并獲得新的相鄰原子。那些不匹配的原子或原子缺陷會擴散到整個晶格中，以釋放內(nèi)能或減輕外部負(fù)載的應(yīng)力。隨著原子缺陷在晶格周期性的能級結(jié)構(gòu)中上升和下降，它們會通過輻射熱量損失能量。當(dāng)這種材料用于減震時，這種耗散或摩擦是有益的。但是自熱會導(dǎo)致材料損壞。來自ESPCI Paris的Nikolai Gorbushin及其同事現(xiàn)在解釋了聲波是如何從外部引入材料中，從而可以完全抑制由移動的晶體缺陷引起的摩擦[1]。

1. N. Gorbushin et al., “Frictionless motion of lattice defects,” Phys. Rev. Lett. 125, 195502 (2020).

https://physics.aps.org/articles/v13/s139

安利時間

Baby Quantum (入門級量子力學(xué) 連載中)