光触发开关实现无损耗电流

来自U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory的研究人员与Brookhaven National Laboratory和University of Alabama at Birmingham的研究人员合作发现了一个光诱导的开关，它利用了材料的晶体晶格扭曲，实现了电子电流的切换，电子电流看起来几乎无损耗。这一发现是在一类拓扑材料中发现的，研究人员认为这些材料对自旋电子学、拓扑效应晶体管和量子计算大有希望。

有一些材料，比如Weyl和Dirac半金属，具有这种独特的性质，即几乎无耗散的电子传导特性，它是利用材料的晶体晶格和电子结构的独特状态来实现的。受对称性和拓扑保护的电子传输通道通常不在铜等传统金属中。这种材料在理论物理学背景下进行了描述，但随着量子计算的出现，人们越来越关注那些可以通过保护脆弱的量子状态免受杂质和嘈杂环境影响的材料和器件。解决这个问题的一个方法是发展拓扑量子计算，其中量子位是基于"对称保护"的无耗散电流，它不受噪声影响。

阿姆斯实验室（Ames Laboratory）高级科学家、爱荷华州立大学物理学教授Jigang Wang表示："光诱导的晶格扭曲，或者是光子开关，可以控制晶体反转对称性和光生成大量电流并且电阻非常小。"这种新的控制原理不需要静态电场或磁场，而且具有更快的速度和更低的能量损耗。阿姆斯实验室的科学家、该论文的第一作者Liang Luo说，这一发现有可能扩展到新的量子计算原理，它基于对称物理和无损耗能量传输。Luo说这种模型可以提供更快的速度，使用更少的能量，并且可以在更高的温度下运行。

在使用太赫兹激光光谱来检查和推动材料揭示对称开关机制时，研究人员确定了其性能。研究小组利用激光脉冲扭曲晶体的晶格结构改变了材料电子结构的对称性。这种光开关使材料中的"Weyl点"能够产生，使电子作为无质量粒子，能够实现研究人员所寻找的受保护的低耗散电流。伯明翰阿拉巴马大学物理学教授、主席Ilias Perakis说："我们通过将原子的周期性运动围绕其平衡位置来打破晶体反转对称性，实现了这种巨大的无耗散电流。这种光诱导的 Weyl 半金属传输和拓扑控制原理似乎很普遍，它对于未来高速、低能耗的量子计算和电子学的发展将非常有用。"

ZrTe5的 Dirac 材料中光诱导的 Weyl 点形成原理图。Ames Laboratory, U.S. Department of Energy供图。

布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）先进能源材料组（Advanced Energy Materials Group）组长Qiang Li表示，研究人员此前缺乏一个足够快、足够低的能量的开关来控制这种材料的对称性。Li说，"我们发现了一个光对称开关，为携带无耗损电子电流提供了一个绝佳的机会，这种受拓扑保护的状态在材料中碰到不完美和杂质时不会减弱或减慢。"

这项研究发表在《Nature Materials》上。(www.doi.org/10.1038/s41563-020-00882-4).