四新材料真高妙，科学家想怎么搞？

材料牛注：拓扑绝缘体、多铁性材料、光学冷原子体系、量子计算材料四大类新材料，以其新奇的物理性质荣登Quora“有趣材料榜”。物理学家“谢邀乐答”，从物理本质出发阐释四新材料的未来应用。

何为最有趣的新奇材料？这一问题最早出现在Quora上。

物理学家David Toyli博士在Quora上回答道：“物理学家眼中最新奇有趣的材料有以下几种。”

拓扑绝缘体

拓扑绝缘体是最近发现的一类材料，内部态绝缘而表面态导电。这种表面态具有特殊的性能，可以将电学载流子的自旋与其动量关联在一起。在这种状态下，自旋和动量彼此的角度是合适的，可以大幅度抑制载流子被散射的路径从而减小能耗，有望用于新一代节能电子器件。拓扑绝缘体是当今物理与材料科学领域中的研究热点之一。不过，我们依然可以对一些具体的材料体系（如Bi₂Se₃)做一些合理的展望：广泛意义上的拓扑绝缘体理论在多大程度上适用于这些现实的材料体系中呢？

多铁性材料

话新说趣味不减。作为一类发现较早的材料，有希望在当今热门的信息存储领域大展威力。简单来说，多铁性材料表现出了多种类型的长程有序、典型的有铁磁性和铁电性。在许多化合物（如BiFeO₃）中，存在磁电有序耦合，因而磁性能可以通过电场加以控制。类比而言，研究人员也在寻找基于铁电材料中磁电耦合的器件。如果能够实现用电场来调控铁磁性，这将为低能耗电子器件铺平道路。普遍的磁信息存储器件——硬盘，就是基于磁性原理，但是信息的读写需要消耗很大的能量，用于产生磁场。如果磁性信息可以由电场来操控，那么将有望制备出低能耗电子器件。

需要注意的是：利用电场来操纵磁性制备自旋低能电子器件的研究大概已有20余年的历史。在Quora原文中有自旋电子领域大牛——IBM公司的Prof. Stuart Parkin关于这方面的讲说视频，深入浅出，值得一看。

光学晶格中的超冷原子

这个概念有些抽象，但是原子物理领域的科学家已经取得了稳步进展，利用激光束捕获超冷原子并进行材料的设计。相反方向传播的激光发生干涉，可以产生一种周期势场，将原子“囚禁”在势能最低处。这种周期性的原子排布类似于日常晶体中的原子排布。这种方法的优点在于，可以在光学晶格中产生大量的自由度，进而控制原子之间的相互作用。由于薛定谔波动方程和光学晶格的波动是相通的，这种控制可以模拟复杂原子体系，也就是所谓的量子模拟，进而更好地理解固体物理中的磁化或者超导现象。举两个实例，一个是在光学微腔体系中可以用超冷原子制备出的量子液晶相，另一个例子是在激光束条件下，利用超冷原子证明了在III-V族半导体如GaAs和Bi₂Se₃拓扑绝缘体中十分重要的自旋轨道相互作用。想想也是十分神奇！现代科技中如此重要的GaAs和材料竟然可通过超冷原子模拟展现出新的物理现象！

用于量子计算的材料

量子计算是现代物理学界研究的另一热点，不过材料科学在其中起到的作用常常被忽视，特别是在量子计算中的固态存储器，材料科学往往起着很重要的作用。组建一个量子计算机需要控制某些特定原子或者电子与整个环境（其中可能包含着数十亿阿伏伽德罗数目的微粒）的相互作用。这是一个难以想象的困难，而材料科学在其中的作用重大。以德国科学家最近实现金刚石晶体中捕获单电子自旋的成果为例，对金刚石晶格经过加工，从天然状态的包含99%C12+1%C13改造成100%C12的，可以将某一种量子态的时间尺度延长一个数量级。寿命更长的量子态对于实现各种量子计算具有十分重要的意义。

原文链接：4 Amazing New Materials That Science Doesn't Quite Know What To Do With Yet.

本文由材料人编辑部月亮提供素材，范铃羚编译，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。

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