通过实验，把理论物理变成现实！可能会像爱因斯坦等上一百年

yiyee123

即使是最杰出的科学理论也需要数据和证明，就在今年，人类有史以来第一张黑洞图像终于提供了支持爱因斯坦百年理论所需的证据。量子材料对这种需求并不陌生，宾夕法尼亚大学查尔斯·凯恩和尤金·梅莱提出关于拓扑绝缘体（内部绝缘体，表面是导体的材料）的突破性获奖理论，成为物理研究领域的基础，希望帮助工程师开发更高效的光电子器件或量子计算机。科学家们实验室正在生成数据，以帮助将量子材料领域的这些和其他想法带入到生活应用中来。

研究人员专注于光学实验，这些实验可以帮助理论和实验方面的科学家理解这类材料，有时还会在这个过程中做出新的发现。实验室的大部分工作都是“例行公事”，验证理论家的预测，但有时实验会发现理论无法预测，意想不到的东西。在这两种情况下，两种类型的研究小组之间，在运行实验，理解结果，以及计划额外的实验以帮助确认新假设之间都有相当大的合作。研究人员进行光学实验，以研究光与量子材料相互作用的方式。

该小组正在研究非线性响应区域中的效应，在非线性响应区域，输入和输出之间的关系要建模得更复杂，光学是我们很好地理解线性效应的领域之一，但更有趣的往往是非线性响应，这很难处理，但非常有用。研究人员致力于太赫兹信号的研究，这种信号是肉眼看不见的亚毫米波。使用磁性拓扑材料来研究物质和光之间的相互作用。这项研究最终可能促使更高效的太赫兹发射器和存储设备，其执行速度可以比现有平台快1000倍。

科学家们正在研究拓扑绝缘体和超导体之间的相互作用，以帮助制造更稳定的量子计算设备。当前的量子信息存储设备非常脆弱，因此数据很容易丢失或扰乱。通过基础研究，科学家们希望找到一种可以在拓扑相中存储量子态的材料，以获得更长期的稳定性。同时已建立了三种不同的非线性光学装置，并正在探索拓扑材料的基本属性，这种材料可以有效地将光转换为电流。一个目标是找到可以更快地开启和关闭的光电材料，这将使它们更节能。

初步研究已经找到了一些可能的竞争者，现在正在与理论家合作开发新的模型，以理解正在收集的数据。这项研究有潜力创造出能够帮助人们更好地感知环境的设备，这可能对士兵的态势感知特别有用。了解磁性Weyl（外尔）半量和多重费米子基本性质将为应用新的技术范式奠定基础，包括用于信息处理的自旋电子存储器件，节能电子和太赫兹源。该小组的大部分时间都花在调整和运行光学实验上，这项工作需要大量的时间和耐心“这是一个很大的飞跃”，从理解理论到建立和运行实验。

尽管工作面临挑战，但设置和运行实验是一个很好的学习机会。对拓扑绝缘体和超导体之间相互作用的研究，受到量子计算应用的推动，有机会从事具有挑战性的光学实验是令人难以置信的回报。在接下来的几年里，研究小组将继续专注于基础拓扑材料研究，尽管很难知道这样一个年轻领域的未来会是什么样子。这是一个新的领域，有很多机会，但它也可能在数年内失去热度。
博科园｜研究/来自：宾夕法尼亚大学
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