科大研究團隊成功實現新材料產生機制 成果將用於芯片設計、量子計算及隔音降噪

2020-06-05

香港科技大學(科大)研究團隊近日在新材料領域取得重要進展,結合二維材料與拓撲材料的特性,首次發現一種具有「第二類狄拉克錐」的新材料的普適產生機制並在聲學實驗中實現了該材料的許多奇特性質,改變了過往只能在苛刻條件下零星獲得該材料的窘況。該機制可指導製備對外界信號例如電場、磁場、光波、聲波等具有特定方向性響應的新二維材料,將為現代電子通訊、量子計算、光學通信、甚至隔音減噪材料等方面帶來重大應用價值。

香港科技大學科研團隊用超冷原子解密三維拓撲材料

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,以及隔音降噪等前沿領域有重要的應用前景。
具有「第二類狄拉克錐」的新材料將為現代電子通訊、量子計算、光學通信、甚至隔音減噪材料等方面帶來重大應用價值。

作為二維材料的典型代表,石墨烯自2004被發現以來,被視為21世紀最偉大的材料發現之一。作為現今世上最薄、強度最大、導熱性能最強的「超級材料」,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。另一方面,拓撲材料,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材料,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」。而理論預言中更加獨特的「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加廣闊的可能。然而,到目前為止,「第二類狄拉克錐」只能在一些材料中零星的找到,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)和吳肖肖博士展示用於觀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,基於二維材料與拓撲材料的相關理論,利用能帶折疊機理(一種獨立於材料,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」的新二維材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,因此具有第二類狄拉克錐的二維材料非常有助於製造針對外界信號,例如電場、磁場、光波、聲波等方向進行高精度探測的微型電子器件,具有重要的學術與應用價值。本方案的系統性以及對材料的獨立性,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容易、靈活度更高。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,以及其多個從前只於理論中層面提到的特性。

本次實驗的成功,開拓了二維材料與拓撲材料研究應用的新領域,為新材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材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重要,比如在空調,通風櫃,排氣管道等處的降噪應用。

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溫教授表示:「最新第二類狄拉克錐設計方案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,以及隔音降噪等前沿領域有重要的應用前景。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。此外,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材料,有很大機會可用作製造高效隔音牆。我們將不斷拓展它們在低頻吸聲、通風條件下的降噪、智慧主動隔音、交通道路噪聲控制、建築聲學等方面的應用,也希望這些材料能真正落地產業化。」

溫維佳教授長期從事先進材料領域的研究,並多次於新材料的基礎和應用研究方面取得重要成果,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。