抗辐射量子材料问世：太空计算机技术迎来革命性突破

抖音快讯 2025年09月02日 19:55 1 admin

信息来源：https://scitechdaily.com/its-its-own-new-thing-scientists-discover-new-state-of-quantum-matter/

加州大学欧文分校物理学家在实验室中创造了一种前所未见的量子物质状态，这种材料不仅具备独特的电子特性，更重要的是对各种形式的辐射完全免疫。这一发现可能为深空探索中的计算设备提供革命性的解决方案，使未来的火星任务和更遥远的太空旅行成为现实。

研究团队在《物理评论快报》上发表的论文详细描述了这种被称为"自旋三重态激子绝缘体"的新量子相。在极端的实验条件下，五碲化铪材料展现出了理论物理学家预测多年但从未在实验中观察到的奇异行为：电子和空穴自发配对形成激子结构，且两者的自旋方向完全一致。这种前所未有的量子现象不仅挑战了传统的物理学理解，更为下一代量子技术开辟了全新的应用前景。

极端条件下的物理学奇迹

加州大学欧文分校的物理学家发现了一种具有异常电子空穴配对的量子物质新相。这种材料对辐射的抗性预示着量子技术和未来太空计算机的突破。（艺术家概念图）图片来源：SciTechDaily.com

要理解这一发现的重要性，必须首先了解实验的极端条件。加州大学欧文分校的研究团队与洛斯阿拉莫斯国家实验室合作，使用了高达70特斯拉的超强磁场来激发这种量子相变。这个磁场强度相当于普通冰箱磁铁的700倍，代表了当前实验物理学能够达到的极限水平。

在这种极端磁场环境下，五碲化铪材料发生了戏剧性的变化。物理学和天文学教授Luis A. Jauregui解释说："当我们施加磁场时，这种材料的导电能力突然下降，表明它已经转变为这种奇异状态。"这种导电性的急剧变化标志着材料从普通的导电状态转变为一种全新的量子相。

博士后研究员刘金宇作为研究的第一作者，设计了这种特殊的材料结构。五碲化铪本身就是一种相对罕见的化合物，具有独特的层状晶体结构。在正常条件下，这种材料表现为半金属特性，但在超强磁场的作用下，它的电子行为发生了根本性改变。

最令人惊讶的发现是电子和空穴的配对方式。在这种新量子相中，电子及其对应的"空穴"（可以理解为电子缺失留下的正电荷位置）自发地结合形成称为激子的复合粒子。更不寻常的是，这些配对的电子和空穴都以相同的方向自旋，这在以往的物理学研究中从未观察到过。

抗辐射特性的技术革命

“如果你想让太空中的计算机能够持久运行，这是一种可行的方法，”路易斯·豪雷吉说道。图片来源：Steve Zylius / 加州大学欧文分校

这种新量子材料最引人注目的特性是其对辐射的完全免疫。与传统的半导体材料不同，这种量子相不会受到任何形式辐射的影响，包括宇宙射线、太阳辐射和其他高能粒子。这一特性使其成为太空应用的理想候选材料。

当前的太空计算设备面临着严峻的辐射环境挑战。在地球磁场保护之外，宇宙空间充满了各种高能粒子和辐射，这些辐射会损坏传统的半导体器件，导致计算错误、数据丢失甚至设备完全失效。国际空间站和各种太空探测器都必须使用特殊的抗辐射加固技术，但这些技术通常会增加重量、成本和复杂性，同时降低计算性能。

Jauregui指出："如果你想让太空中的计算机能够持久运行，这是一种可行的方法。"随着SpaceX等公司推进载人火星任务计划，对抗辐射计算技术的需求变得越来越迫切。火星之旅需要数月时间，期间宇航员和设备将暴露在强烈的宇宙辐射环境中。传统的计算设备在这种条件下很难长期稳定运行。

这种新材料不仅能够抵抗辐射损伤，还可能实现自充电功能。研究表明，这种量子相能够通过自旋而非电荷传输信号，这种传输方式的能耗远低于传统的电荷传输。这意味着基于这种材料的设备可能具有超低功耗特性，在资源有限的太空环境中具有重要价值。

自旋电子学的新前沿

这一发现对自旋电子学领域具有深远影响。自旋电子学是一个相对新兴的技术领域，它利用电子的自旋属性而非电荷来处理和存储信息。与传统的电子学相比，自旋电子学器件具有更低的功耗、更快的处理速度和更好的稳定性。

在新发现的量子相中，电子和空穴的同向自旋配对创造了前所未有的可能性。传统的激子通常由自旋方向相反的电子和空穴组成，而这种新型激子的同向自旋特性可能实现全新的信息处理方式。理论计算表明，这种材料如果能够被制备成宏观样品，将会发出明亮的高频光，这为光电子器件的应用开辟了新的可能性。

更重要的是，这种量子相的发现验证了多年来理论物理学家的预测。自旋三重态激子绝缘体的概念早在理论上被提出，但直到现在才在实验中得到证实。这种理论预测与实验验证的结合，为量子物理学的发展提供了重要的里程碑。

研究团队使用的实验技术本身也代表了科学技术的前沿。70特斯拉的磁场强度需要专门的设备和技术才能实现，洛斯阿拉莫斯国家实验室是世界上少数几个能够提供这种极端实验条件的研究机构之一。这种国际合作模式展示了现代科学研究的复杂性和跨机构协作的重要性。

从实验室到太空的漫长之路

尽管这一发现具有巨大的潜力，但从实验室研究到实际应用还有很长的路要走。目前的实验需要70特斯拉的超强磁场才能激发这种量子相，这在实际应用中显然是不现实的。研究团队需要探索在更温和条件下实现类似效果的方法。

材料工程是另一个重大挑战。目前的研究使用的是微观尺度的材料样品，要制备适用于实际器件的宏观材料还需要克服许多技术障碍。五碲化铪的制备本身就需要特殊的技术和设备，大规模生产可能面临成本和工艺的双重挑战。

此外，如何将这种材料集成到现有的电子器件中也是一个需要解决的问题。传统的半导体制造工艺可能不适用于这种新型量子材料，需要开发全新的制造技术和工艺流程。

然而，潜在的应用前景使得这些挑战值得面对。除了太空应用，这种抗辐射的量子材料还可能在核电站、医疗设备、军事装备等高辐射环境中发挥重要作用。在量子计算领域，这种材料的独特性质也可能为量子比特的稳定性提供新的解决方案。

Jauregui坦言："我们还不知道最终会带来什么结果。"这种科学研究中的不确定性正是基础研究的魅力所在。历史上许多重大技术突破都源于看似遥远的基础科学发现，这种新量子相的发现很可能也会催生意想不到的技术革命。

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