在过去的几十年里，量子材料引起了计算应用的极大兴趣，但重要的量子特性(如超导性或磁自旋)仍然处于脆弱状态。

密歇根大学材料科学与工程副教授罗伯特·霍夫登(RobertHovden)表示：“在设计量子材料时，游戏始终是与无序的斗争。”

热是破坏量子特性的最常见的无序形式。量子材料通常只在非常低的温度下，当原子几乎停止振动时，才会表现出奇异的现象，从而允许周围的电子彼此相互作用，并以意想不到的方式重新排列。这就是为什么目前正在-269°C(约-450F)的液氦浴中开发量子计算机。这仅比零开尔文(-273.15°C)高几度。

当材料从3D剥离为2D单层原子时，材料也会失去量子特性，对于开发纳米​​级器件来说，厚度特别重要。

现在，密歇根大学领导的研究小组开发了一种新方法，可以在室温下诱导和稳定一种称为电荷密度波的奇异量子现象。他们基本上已经确定了一类新的二维材料。研究结果发表在《自然通讯》上。

霍夫登说：“这是对二维有序电荷密度波的首次观察。我们感到震惊的是，它不仅具有二维电荷密度波，而且电荷密度波还大大增强。”

研究人员没有采用剥离单个原子层来制造二维材料的典型方法，而是在另一个基质内生长二维材料。他们将这种新材料称为“endotaxis”，其希腊词根为“endo”，意思是“内部”，“taxis”，意思是有序的方式。

研究人员使用了一种金属晶体二硫化钽(TaS2)，与任何晶体一样，它的原子排列有序，就像在各个方向上整齐排列的乒乓球一样。他们观察到，随着材料的生长，夹在中间的二维TaS2晶体层的电子会自发地聚集在一起，形成自己的晶体，称为电荷晶体或电荷密度波，这是固体材料中电子分布的重复模式。

随着电子聚集和结晶，它们的运动受到限制，金属不再具有良好的导电性。在不改变材料化学性质的情况下，电荷晶体的形成已将材料从导体转变为绝缘体。这种奇特的量子现象可能被证明可以用作经典或量子计算中的晶体管，充当控制电压流的门。

“这开启了这样一个想法，即内轴合成可能是在我们存在的正常温度范围内稳定脆弱量子态的重要策略，”该论文的第一作者、密歇根大学博士研究生和现任博士后SukHyunSung说。哈佛大学罗兰研究所。

手头上有一个在室温下稳定的电荷晶体，研究人员决定将其加热以观察变化。

“它是在意想不到的高温下订购的。不仅在室温下，而且如果将其加热到水的沸点以上，它仍然具有电荷密度波，”霍夫登说。

研究人员最终观察到电荷晶体融化，而材料仍保持固态，从而消除了量子态。

这样的实验增进了我们对量子材料的基本理解，这对于研究人员努力利用奇异的量子现象来寻求工程解决方案至关重要。

“量子材料将颠覆经典计算和量子计算，”霍夫登说。

霍夫登说，这两个领域都陷入困境。经典计算已经耗尽了硅的能力，而量子计算目前只能在极低的温度下运行。他们需要量子材料才能前进。

目前，这项研究为利用内轴合成发现新的量子材料奠定了基础，并为在更实际的温度下稳定量子特性提供了希望。

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