科大研究团队成功实现新材料产生机制 成果将用于芯片设计、量子计算及隔音降噪

5-06-2020

香港科技大学(科大)研究团队近日在新材料领域取得重要进展,结合二维材料与拓扑材料的特性,首次发现一种具有「第二类狄拉克锥」的新材料的普适产生机制并在声学实验中实现了该材料的许多奇特性质,改变了过往只能在苛刻条件下零星获得该材料的窘况。该机制可指导制备对外界信号例如电场、磁场、光波、声波等具有特定方向性响应的新二维材料,将为现代电子通讯、量子计算、光学通信、甚至隔音减噪材料等方面带来重大应用价值。

香港科技大学科研团队用超冷原子解密三维拓扑材料

温教授团队设计的具有强烈抗干扰能力的电磁波与声波器件,在5G通信、光学计算,以及隔音降噪等前沿领域有重要的应用前景。
一种具有「第二类狄拉克锥」的新材料将为现代电子通讯、量子计算、光学通信、甚至隔音减噪材料等方面带来重大应用价值。

作为二维材料的典型代表,石墨烯自2004被发现以来,被视为21世纪最伟大的材料发现之一。作为现今世上最薄、强度最大、导热性能最强的「超级材料」,石墨烯不但获广泛应用到电晶体、生物感测器和电池上,其发现更获得2010年诺贝尔物理学奖。另一方面,拓扑材料,由于存在零耗散边缘输运等奇特性质,被认为是开发未来电子器件的基石,其发现获得了2016年诺贝尔物理学奖。事实上,石墨烯也是一种拓扑材料,其奇特性质,大多来源于其拓扑的「狄拉克锥」。但石墨烯中的「狄拉克锥」,属于理论预言中的「第一类狄拉克锥」。而理论预言中更加独特的「第二类狄拉克锥」,由于对外界信号的响应具有「第一类狄拉克锥」所不具备的极强的方向性,将会为电子器件的开发与应用带来更加广阔的可能。然而,到目前为止,「第二类狄拉克锥」只能在一些材料中零星的找到,缺乏系统的生成机理。

Prof. WEN Weijia (right) and Dr. WU Xiaoxiao demonstrate the experimental samples used to observe "type-II" Dirac cones.
温维佳教授(左)和吴肖肖博士展示用于观测第二类狄拉克点的实验样品。

为解决这一关键问题,由科大物理学系温维佳教授及吴肖肖博士带领的研究团队,基于二维材料与拓扑材料的相关理论,利用能带折叠机理(一种独立于材料,适用于周期性晶格的一般性原理),首次发现并成功地实践了具有「第二类狄拉克锥」的新二维材料的系统性产生机制。由于其独特的拓扑能带,其对外界信号的响应具有极强的方向性,因此具有第二类狄拉克锥的二维材料非常有助于制造针对外界信号,例如电场、磁场、光波、声波等方向进行高精度探测的微型电子器件,具有重要的学术与应用价值。本方案的系统性以及对材料的独立性,更有助克服电路设计所需要的精准度,让电子产品的设计较为容易、灵活度更高。该团队利用声场扫描测量技术,在声学中直接观测到了第二类狄拉克锥,以及其多个从前只于理论中层面提到的特性。

本次实验的成功,开拓了二维材料与拓扑材料研究应用的新领域,为新材料未来应用开辟了全新的可能。该研究结果最新发布在物理学著名国际期刊《物理评论快报》

温教授课题组基于声学超材料开发的透气吸音器。该透气吸音器可以同时实现高性能的声吸声与空气畅通。这一点对于需要空气自由流动的环境非常重要,比如在空调,通风柜,排气管道等处的降噪应用。

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温教授表示:「最新第二类狄拉克锥设计方案的发现及该团队近几年的系列研究成果,在5G通讯、光学计算如量子计算,以及隔音降噪等前沿领域有重要的应用前景。团队计划将其相关成果应用于专用芯片、新型触控、滤波模组、无线传输及生物传感等器件。此外,由于今次我们所观测到的第二类狄拉克锥是于声波中出现,这显示按此机制而生成的新材料,有很大机会可用作制造高效隔音墙。我们将不断拓展它们在低频吸声、通风条件下的降噪、智慧主动隔音、交通道路噪声控制、建筑声学等方面的应用,也希望这些材料能真正落地产业化。」

温维佳教授长期从事先进材料领域的研究,并多次于新材料的基础和应用研究方面取得重要成果,他曾以「巨电流变液结构和物理性质的研究」,荣获2014年国家自然科学奖二等奖。