南洋大学助理教授本特·韦伯(右)和他的团队与新的扫描隧道显微镜。图片来源:M. Fadly
舰队研究员A/本特·韦伯教授和他在南大新加坡分校的团队，展示了对一种罕见量子态一维电子流的前所未有的控制，物理学家已经试图理解这种量子态半个多世纪了。这项技术为更强大、更精确的量子计算机提供了一条途径。
来自:新加坡南洋理工大学
当你在拥挤的购物中心里行走时，通过一个大的中庭比在自动扶梯上更容易保持社交距离。电子也是如此:如果它们被迫排成一列移动，它们之间的电斥力会改变电流的流动。这就产生了物理学家长期追求的特殊材料性质，用于构建抗故障量子计算机。
南洋大学助理教授本特·韦伯物理与数学科学学院“，他正在使用扫描隧道显微镜来研究这些奇异的物质相。扫描隧道显微镜是一种可以逐个原子分析材料的技术。最近，他的团队进行了实验，展示了如何将一维电子流体控制到前所未有的程度。他们的研究成果已发表在该杂志上自然通讯．
一种奇怪的量子液体
南洋大学助理教授Bent Weber(中)与高级研究员阙燕德博士和博士候选人贾军祥先生(右)在他们新的超低振动实验室。图片来源:M. Fadly
电子相互排斥，因为它们都带负电。在普通的三维材料中，这种排斥力通常被电子自由移动和相互避开的自由所抵消。但在电子被限制在一个方向上一个接一个地移动的情况下，这种自由可能会受到严重限制。就像人们被困在拥挤的自动扶梯上一样，电子被锁定在集体运动中-每个电子只有在每一个人动作。
仅凭简单的直觉很难理解的是，由于它们之间的相互作用，电子可以在低温下凝结成一种新的液体状态，在这种状态下，它们失去了各自的特性，整体表现就像它们是完全不同的粒子一样。
这被称为Tomonaga-Luttinger液体，是物理学家半个多世纪以来一直试图理解的一种罕见的物质相。不幸的是，Tomonaga-Luttinger液体的实验研究受到了阻碍，因为它们只出现在少数特殊环境中，比如碳纳米管和原子薄的金属线。此外，与研究传统材料相比，测量它们的性能需要更灵敏的实验技术。
在他们的新研究中，韦伯助理教授和他的团队专注于Tomonaga-Luttinger液体可以形成的一种特殊环境，这种环境是基于一种称为Tomonaga-Luttinger的二维材料量子自旋霍尔(QSH)绝缘体．这些材料在内部是电绝缘的，允许电子只驻留在它们的一维边界或“边缘”上。
这种新型显微镜安装在一块55吨重的由气垫支撑的混凝土块上。图片来源:M. Fadly
这条边的电子具有其他Tomonaga-Luttinger液体所没有的特性:它们是“螺旋状”的，这意味着每个电子的自旋(描述了它的自旋，就像足球的自旋一样)被锁定在它移动的方向上。这赋予了Tomonaga-Luttinger液体极不寻常的特性。
理论研究预测，当温度降低到接近绝对零度(-273.15°C)时，螺旋状Tomonaga-Luttinger液体中的电子会自发地组合成称为“parafermions”的实体，每个实体由四个电子组成。Parafermions可以以一种抗破坏的方式编码量子信息，这是目前量子计算机所遭受的问题。基于参数介子的量子技术将比其他方法具有“优势”，实现容错量子计算。
在他们的实验中，韦伯助理教授的团队在各种条件下探索了量子自旋霍尔绝缘体的一维边界，并借助理论模型描述了它们的性质。吕丁格液体中相互作用的强度是由一个参数决定的，吕丁格参数K，其特征是电子是否不受相互排斥的影响。
“当K=1时，电子根本没有相互作用，”韦伯助理教授解释道。“当K小于0.5时，相互作用很强，电子被迫集体运动。这就是parafermions被预测存在的情况。”
研究小组发现K很大程度上受衬底的选择影响，即系统植入的基材。此外，在某些类型的边缘上，相互作用更强。通过改变这些参数，研究小组得到了K值介于0.21和0.33之间。
显微镜下的电子液体。南洋理工大学新型扫描隧道显微镜的超高真空室特写。图片来源:M. Fadly。
韦伯助理教授说:“这是一个非常显著的变化范围，因为Luttinger参数只能在0到1之间变化。”而且，如此低的价值K之前从未在任何螺旋Tomonaga-Luttinger液体中观察到。”
韦伯助理教授团队的博士生、该研究的第一作者贾军祥先生回忆了实验的困难。“扫描隧道光谱是在4.5 K的温度下进行的，我们需要在小于30纳米的范围内定位特征，”他指出。“在未来，我们最大的挑战之一将是移动到更低的温度，这是观察参数子所需要的。为此，我们需要更先进的设备。”
新加坡“最酷”的显微镜研究场所
韦伯助理教授的团队正在抓紧时间探索这一实验前沿，这要感谢他最近在南洋理工大学的超低振动实验室的建成。这个新设施是专门设计的，结合了超低振动环境和最先进的扫描隧道显微镜设备，温度比以前在新加坡达到的要低。
扫描隧道显微镜的工作原理是将极其锋利的金属尖端置于材料表面一纳米或更小的范围内。在尖端和样品之间施加电压会导致电子“隧穿”穿过分离它们的间隙，当尖端扫到表面时，通过测量隧穿电流的变化就可以得到一幅图像。由于电流对尖端-样品分离具有指数级的敏感性，因此显微镜甚至可以分辨表面上最微弱的原子波纹，达到“成像”原子的程度。
作为这种灵敏度的一个不必要的副作用，环境中的物理振动——例如由人们走路、关门、电梯运行、汽车驶过，甚至是遥远的地震引起的——将限制测量的准确性。
为了缓解这一问题，在南洋理工大学校园一栋建筑的地下室创建了一个新的实验室空间。超低振动实验室将显微镜安装在一个55吨重的混凝土块上，与建筑的其他部分分开。该块本身由气垫悬浮，气垫在六个自由度上主动调整其位移，以抵消传入的振动。
“如果你去过光学或光子学研究实验室，想象一下一个巨大的光学桌子。这是基于类似的原理，除了它真的非常非常重，”韦伯助理教授说。“对于如此巨大的质量，主动消除振动是一项非常新的技术，由德国BILZ公司提供。目前，该系统仅被部署在全球少数几个设施中。”
“为了检测该街区的地板振动水平，我们引进了一些市场上最灵敏的地震仪。他们证实了振动水平可以与世界上最先进的实验室相媲美，”韦伯助理教授团队的研究员Yande Que博士说。
扫描隧道显微镜实验的另一个限制因素是温度。新的实验室拥有世界上第一个可以在毫开尔文(mK)温度下工作的商业扫描隧道显微镜-由日本Unisoku制造的USM1600。目前全球安装的这种显微镜还不到10台，而这是新加坡唯一一台。
在试运行中，Weber和他的团队已经证明了他们的显微镜可以达到低于150 mK(或-273°C)的有效(“电子”)温度，这应该足够低来检测参数费米子。
韦伯助理教授说:“在COVID大流行期间，在通货膨胀和劳动力短缺的情况下，在预算有限的情况下，成功完成了这样一个雄心勃勃的实验室建设项目，这是一个近乎奇迹的奇迹。”“向所有参与的人致敬，从南洋理工大学的基础设施办公室和顾问，到建筑公司，最终到我们的科学设备供应商，他们按时交付了最高质量的产品。”
本文所涉及的研究以及超低振动实验室的开发，是由新加坡国家研究基金会(NRF)在竞争性研究计划“迈向片上拓扑量子器件”下资助的。