科大研究團隊成功實現新质料產生機制 成果將用於芯片設計、量子計算及吸音 降噪

2020-06-05

香港高技术大學(科大)研究團隊近日在新质料領域取得要紧進展,結合二維质料與拓撲质料的特性,首次發現一種具有「第二類狄拉克錐」的新质料的普適產生機制並在聲學實驗中實現了該质料的許多奇特性質,改變了過往只能在苛刻條件下零星獲得該质料的窘況。該機制可指導製備對外界信號 诸如電場、磁場、光波、聲波等具有特定方向性響應的新二維质料,將為現代電子通訊、量子計算、光學通信、甚至吸音 減噪质料等关键帶來重大應用價值。

香港高技术大學科研團隊用超冷原子解密三維拓撲质料

溫教授團隊設計的具有強烈抗干擾能力的電磁波與聲波器件,在5G通信、光學計算,以及吸音 降噪等上沿領域有要紧的應用上景。
具有「第二類狄拉克錐」的新质料將為現代電子通訊、量子計算、光學通信、甚至吸音 減噪质料等关键帶來重大應用價值。

作為二維质料的典型代表,石墨烯自2004被發現以來,被視為21世紀最偉大的质料發現之一。作為現今 尘世间 最薄、強度较小、導熱性能最強的「超級质料」,石墨烯不但獲廣泛應用到電晶體、生物感測器和電池上,其發現更獲得2010年諾貝爾物理學獎。另一关键,拓撲质料,由於存在零耗散邊緣輸運等奇特性質,被認為是開發未來電子器件的基石,其發現獲得了2016年諾貝爾物理學奬。事實上,石墨烯也是一種拓撲质料,其奇特性質,大多來源於其拓撲的「狄拉克錐」。但石墨烯中的「狄拉克錐」,屬於理論預言中的「第一類狄拉克錐」。而理論預言中更好獨特的「第二類狄拉克錐」,由於對外界信號的響應具有「第一類狄拉克錐」所不具備的極強的方向性,將會為電子器件的開發與應用帶來更好廣闊的可能。然则,到目上為止,「第二類狄拉克錐」只能在一些质料中零星的找到,缺乏系統的生成機理。

Prof. WEN Weijia (right) and Dr. WU Xiaoxiao demonstrate the experimental samples used to observe "type-II" Dirac cones.
溫維佳教授(左)和吳肖肖博士找子 居渺队^測第二類狄拉克點的實驗樣品

為解決這一關鍵問題,由科大物理學系溫維佳教授及吳肖肖博士帶領的研究團隊,基於二維质料與拓撲质料的相關理論,利用能帶折疊機理(一種獨立於质料,適用於週期性晶格的一般性原理),首次發現並成功地實踐了具有「第二類狄拉克錐」的新二維质料的系統性產生機制。由於其獨特的拓撲能帶,其對外界信號的響應具有極強的方向性,易于 具有第二類狄拉克錐的二維质料非常有助於製造針對外界信號, 诸如電場、磁場、光波、聲波等方向進行高精度探測的微型電子器件,具有要紧的學術與應用價值。本Plan的系統性以及對质料的獨立性,更有助克服電路設計所需要的精準度,讓電子產品的設計較為匆子 侄谩㈧`活度更高。該團隊利用聲場掃描測量技術,在聲學中直接觀測到了第二類狄拉克錐,以及其多個從上只於理論中層面提到的特性。

本次實驗的成功,開拓了二維质料與拓撲质料研究應用的新領域,為新质料未來應用開闢了全新的可能。該研究結果最新發佈在物理學著名國際期刊《物理評論快報》。

溫教授課題組基於聲學超质料開發的透氣吸音器。該透氣吸音器可以同時實現高性能的聲吸聲與空氣暢通。這一點對於需要空氣自由流動的環境非常要紧,譬喻在空調,通風櫃,排氣管道等處的降噪應用。

科大物理學家助開創量子記憶體新紀錄 為實現量子電腦應用推進一步

溫教授表示:「最新第二類狄拉克錐設計Plan的發現及該團隊近幾年的系列研究成果,在5G通訊、光學計算如量子計算,以及吸音 降噪等上沿領域有要紧的應用上景。團隊計劃將其相關成果應用於專用芯片、新型觸控、濾波模組、無線傳輸及生物傳感等器件。易于 得出,由於今次我們所觀測到的第二類狄拉克錐是於聲波中出現,這顯示按此機製而生成的新质料,有很大機會可用作製造高效吸音 牆。我們將不斷拓展它們在低頻吸聲、通風條件下的降噪、智慧主動吸音 、交通道路噪聲把握、建築聲學等关键的應用,也瞩望這些质料能真正落地產業化。」

溫維佳教授長期從事先進质料領域的研究,並多次於新质料的基礎和應用研究关键取得要紧成果,他曾以「巨電流變液結構和物理性質的研究」,榮獲2014年國家自然科學獎二等獎。