即使是最傑出的科學理論也需要數據和證明，就在今年，人類有史以來第一張黑洞圖像終於提供了支持愛因斯坦百年理論所需的證據。量子材料對這種需求並不陌生，賓夕法尼亞大學查爾斯·凱恩和尤金·梅萊提出關於拓撲絕緣體（內部絕緣體，表面是導體的材料）的突破性獲獎理論，成為物理研究領域的基礎，希望幫助工程師開發更高效的光電子器件或量子計算機。科學家們實驗室正在生成數據，以幫助將量子材料領域的這些和其他想法帶入到生活應用中來。
研究人員專注於光學實驗，這些實驗可以幫助理論和實驗方面的科學家理解這類材料，有時還會在這個過程中做出新的發現。實驗室的大部分工作都是“例行公事”，驗證理論家的預測，但有時實驗會發現理論無法預測，意想不到的東西。在這兩種情況下，兩種類型的研究小組之間，在運行實驗，理解結果，以及計劃額外的實驗以幫助確認新假設之間都有相當大的合作。研究人員進行光學實驗，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性響應區域中的效應，在非線性響應區域，輸入和輸出之間的關係要建模得更復雜，光學是我們很好地理解線性效應的領域之一，但更有趣的往往是非線性響應，這很難處理，但非常有用。研究人員致力於太赫茲信號的研究，這種信號是肉眼看不見的亞毫米波。使用磁性拓撲材料來研究物質和光之間的相互作用。這項研究最終可能促使更高效的太赫茲發射器和存儲設備，其執行速度可以比現有平臺快1000倍。
科學家們正在研究拓撲絕緣體和超導體之間的相互作用，以幫助製造更穩定的量子計算設備。當前的量子信息存儲設備非常脆弱，因此數據很容易丟失或擾亂。通過基礎研究，科學家們希望找到一種可以在拓撲相中存儲量子態的材料，以獲得更長期的穩定性。同時已建立了三種不同的非線性光學裝置，並正在探索拓撲材料的基本屬性，這種材料可以有效地將光轉換為電流。一個目標是找到可以更快地開啟和關閉的光電材料，這將使它們更節能。
初步研究已經找到了一些可能的競爭者，現在正在與理論家合作開發新的模型，以理解正在收集的數據。這項研究有潛力創造出能夠幫助人們更好地感知環境的設備，這可能對士兵的態勢感知特別有用。瞭解磁性Weyl（外爾）半量和多重費米子基本性質將為應用新的技術範式奠定基礎，包括用於信息處理的自旋電子存儲器件，節能電子和太赫茲源。該小組的大部分時間都花在調整和運行光學實驗上，這項工作需要大量的時間和耐心“這是一個很大的飛躍”，從理解理論到建立和運行實驗。
儘管工作面臨挑戰，但設置和運行實驗是一個很好的學習機會。對拓撲絕緣體和超導體之間相互作用的研究，受到量子計算應用的推動，有機會從事具有挑戰性的光學實驗是令人難以置信的回報。在接下來的幾年裡，研究小組將繼續專注於基礎拓撲材料研究，儘管很難知道這樣一個年輕領域的未來會是什麼樣子。這是一個新的領域，有很多機會，但它也可能在數年內失去熱度。
博科園｜研究/來自：賓夕法尼亞大學
博科園｜科學、科技、科研、科普
關注【博科園】看更多大美宇宙科學
閱讀更多 博科園 的文章
