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  • 追捕神秘的馬約拉納量子位元

    在物理界裡已經快要見怪不怪的事情又發生了:研究人員們又被一個好像存在、又好像不存在的現象吸引住了;這次是一個同時身兼物質與反物質角色的粒子—馬約拉納費米子(Majorana fermions)。有些凝態物理學家覺得他們已經找到這種難以理解的怪獸,但其他人還是有點懷疑。無論如何,微軟(Microsoft)已經開始懸賞馬約拉納費米子,期望有天可以用在量子計算上。

  • 2016諾貝爾物理學獎:拓樸相變和拓樸物質的理論研究發現

    二零一六年十月四日,諾貝爾物理獎頒給美國華盛頓大學的David J. Thouless, 布朗大學的J. Michael Kosterlitz和普林斯頓大學的Duncan M. Haldane,三位得獎人均為英國出身。得獎的理由是『拓樸相變和拓樸物質的理論研究發現。』( For theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phases of matter)

  • 戈薇磁鐵(Kagome Magnet)可能是一個無能隙的自旋液體

    新近對在戈薇晶格上的反鐵磁系統(戈薇反鐵磁)的數值研究顯示,系統的基態很可能是一種無能隙的自旋液體。大家對自旋液體的興趣是在於他不是有序的鐵磁系統,而是一直保持在無序的狀態,這可能對拓樸量子電腦(topological quantum computers)會有用。

  • 探測奈米元件中奈米晶粒的躍動現象

    所有固體中,都存在著或多或少的缺陷。有些缺陷來自於晶格空穴,這些空穴與鄰近原子之間可能形成「二能級系統(two-level systems, TLSs)」,使得一顆∕一團原子在空間緊鄰、能量又相近的二個位置∕晶格組態之間來回躍動,構成一種「動態結構缺陷(dynamical structural defects)」。這種動態缺陷的自發性反覆來回躍動(fluctuations或repeated switches),對奈米尺度元件的效能會造成惡性影響。

  • 台美科學家聯手解開鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率之謎

    鈣鈦礦作為太陽能電池材料是最近幾年極受關注的科研主題,過去五年來,其能量轉換效率的最佳紀錄已直逼商用的矽太陽能板表現~22% [3]。然而為何鈣鈦礦能有如此跌破專家眼鏡的能量轉換效率 ? 這問題則一直困惑著全世界的物理學家。

  • 拓樸絕緣體之能帶結構、輸運性質與場效電晶體元件之介紹與研究

    傳統上,物質的狀態分類主要是依循原子對稱性破壞的原理,如晶體、多晶體與非晶體。從宏觀電性來說,物質可以大致簡單分為三類:導體、絕緣體跟半導體。量子霍爾態 (Quantum Hall state) 在西元1980年被發現,提供了新物質態-量子態的第一個特例。它沒有自發地斷開原子對稱性,然而其電子結構與輸運行為僅取決於其拓樸性 (topology) [1]。本質自旋霍爾效應 (Intrinsic Spin Hall Effect) 的理論在2003年被提出[2][3],說明物質中自旋的分離是因為物質的本質能帶結構造成的,引發了大家對於能帶以及自旋電流研究的興趣。雖然當時最根本的原因尚未確認,但卻埋下了大家對於量子版本的自旋霍爾效應猜測的種子。美國理論學家C. L. Kane及E. J. Mele在2005年提出石墨烯 (graphene) 是具有量子自旋霍爾效應 (Quantum Spin Hall Effect) 的一種材料[4]。他們認為石墨烯微小的能隙會因為自旋軌道耦合 (Spin-orbital coupling, SOC) 的效應而打開,進而變成絕緣體;此外其邊緣態 (Edge states) 也會出現於能隙中。這樣的行為和量子霍爾效應是非常像的,然而這不需要一個外加的磁場。

  • 拓樸超導體

    拓樸超導體是一種特別的物質。顧名思義,它擁有一般超導體的性質,例如完整的超導能隙 (superconducting gap)。然而不同於一般超導體的是其超導庫柏電子配對 (Cooper pair) 具有手性 (chirality),如同拓樸絕緣體的表面電子態具有手性。而手性超導配對的一項重要特性就是在邊緣或是缺陷處會有馬約拉納(Majorana) 準粒子束縛態的存在。馬約拉納費米子 (fermion) 是一種本身為自己反粒子的費米子。因此,當兩個馬約拉納費米子在一起時就會互相消滅而無法探測。在基本粒子理論,微中子可能是個馬約拉納費米子,但是實驗還無法確認這個預測。在凝態物理的拓樸超導體中,兩個馬約拉納準粒子可以在相離很遠的邊緣或缺陷處各自存在,因此有機會被探測到。例如我們施加磁場在超導體這樣符合電子─電洞對稱 (particle-hole symmetry) 的系統中,馬約拉那準粒子會被束縛在超導渦旋 (vortex) 的零能量處,實驗即可量測到零偏壓時導電率的峰值 (zero bias conductance peak),而這也是拓樸超導體的一個重要現象。馬約拉納束縛態不會被外界干擾而退相干 (decoherence),此特性可應用於容錯性量子計算,因此探測馬約拉納準粒子是目前凝態物理的關注焦點之一。

  • 拓樸材料與拓樸能帶理論

    百萬年前,人類與動物沒有太大差別,撿撿石頭、樹枝、果子。但跟其他動物相比,人類太過於弱小,為了提升在自然界的存活率,人類開始製作石器,進入了石器時代。隨著時間演進,人們開始學會以火製作陶器,甚至煉製金屬。到了十九世紀,更有了煤礦與合金,工業革命因此產生。石油與半導體可說是二十世紀的代表,我們的生活都與這兩樣東西息息相關。二十一世紀雖還沒結束,但我們已將高溫超導體用於醫療核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance),巨磁阻 (magnetoresistance) 材料則是大容量硬碟的基礎。至此,我們可發現,人類生活方式的演進與材料發展緊密相連,材料的歷史可說是人類的歷史。

  • 2016年諾貝爾物理學獎:相變與拓樸相變介紹

    2016年諾貝爾物理學獎頒授給三位凝聚態物理學家,科斯特利兹 (John Michael Kosterlitz)、霍爾丹(Duncan Haldane) 和索利斯(David J. Thouless),為表揚他們發現拓撲相和拓撲相變。他們的發現可說是凝聚態物理的一場革命。要體會這發現的重要,我們必先了解傳統的相變理論。

  • 洛杉磯加州大學王康隆教授帶領的研究團隊確認了馬約拉納粒子

    研究的發現能提供在量子點腦運送量子位元(qubits)的載具