Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Vật liệu lượng tử mới nổi
Tóm tắt
Thuật ngữ vật liệu lượng tử đề cập đến những vật liệu mà các thuộc tính của chúng chủ yếu được xác định bởi các hiệu ứng cơ học lượng tử ở quy mô chiều dài vĩ mô và thể hiện các hiện tượng và chức năng không được mong đợi từ vật lý cổ điển. Một số đặc điểm chính bao gồm độ giảm chiều, tương tác nhiều thể mạnh, hình học phi suy diễn và các biến trạng thái không điện tích của các hạt mang điện. Lĩnh vực vật liệu lượng tử đã là một lĩnh vực đáng chú ý trong khoa học vật liệu hiện đại trong nhiều thập kỷ, và đang ở vị trí trung tâm của một loạt các công nghệ hiện đại, từ điện tử, quang học, năng lượng, quốc phòng cho đến cảm biến môi trường và y sinh. Trong thập kỷ qua, rất nhiều nỗ lực nghiên cứu đã được dành cho việc phát triển các vật liệu lượng tử với các hiện tượng và chức năng biểu hiện ở nhiệt độ cao và sở hữu độ biến đổi chưa từng có với độ chính xác ở quy mô nguyên tử. Lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển này đã chứng kiến một số bước đột phá quan trọng và hiện đang chuẩn bị để đối mặt với những thách thức trong một kỷ nguyên mới của khoa học và công nghệ thông tin lượng tử. Vấn đề này tóm tắt và xem xét những tiến bộ gần đây trong các chủ đề chọn lọc, đồng thời cũng cung cấp sự nhìn nhận cho các hướng phát triển tương lai của các vật liệu lượng tử mới nổi trong những năm tới.
Từ khóa
#vật liệu lượng tử #cơ học lượng tử #công nghệ thông tin lượng tử #vật lý cổ điển #nghiên cứu vật liệuTài liệu tham khảo
Quantum Materials for Energy Relevant Technology (Report of the office of Basic Energy Sciences workshop on quantum materials, Office of Science, US Department of Energy, 2016), https://science.osti.gov/-/media/bes/pdf/reports/2016/BRNQM_rpt_Final_12-09-2016.pdf.
D. Bera, L. Qian, T.-K. Tseng, P.H. Holloway, Materials 3, 2260 (2010).
D. Loss, D.P. DiVincenzo, Phys. Rev. A 57, 120 (1998).
S.Z. Butler, S.M. Hollen, L. Cao, Y. Cui, J.A. Gupta, H.R. Gutierrez, T.F. Heinz, S.S. Hong, J. Huang, A.F. Ismach, E. Johnston-Halperin, M. Kuno, V.V. Plashnitsa, R.D. Robinson, R.S. Ruoff, S. Salahuddin, J. Shan, L. Shi, M.G. Spencer, M. Terrones, W. Windl, J.E. Goldberger, ACS Nano 7, 2898 (2013).
K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
A.S. Mayorov, D.C. Elias, I.S. Mukhin, S.V. Morozov, L.A. Ponomarenko, K.S. Novoselov, A.K. Geim, R.V. Gorbachev, Nano Lett. 12, 4629 (2012).
J. Yang, S. Tran, J. Wu, S. Che, T. Taniguchi, K. Watanabe, H. Baek, D. Smirnov, R. Chen, C.N. Lau, Nano Lett. 18, 229 (2018).
M. Drögeler, C. Franzen, F. Volmer, T. Pohlmann, L. Banszerus, M. Wolter, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Stampfer, B. Beschoten, Nano Lett. 16, 3533 (2016).
J. Xu, T. Zhu, Y.K. Luo, Y.-M. Lu, R.K. Kawakami, Phys. Rev. Lett. 121, 127703 (2018).
X. Qian, J. Liu, L. Fu, J. Li, Science 346, 1344 (2014).
F. Zheng, C. Cai, S. Ge, X. Zhang, X. Liu, H. Lu, Y. Zhang, J. Qiu, T. Taniguchi, K. Watanabe, S. Jia, J. Qi, J.-H. Chen, D. Sun, J. Feng, Adv. Mater. 28, 4845 (2016).
Z. Fei, T. Palomaki, S. Wu, W. Zhao, X. Cai, B. Sun, P. Nguyen, J. Finney, X. Xu, D.H. Cobden, Nat. Phys. 13, 677 (2017).
S. Tang, C. Zhang, D. Wong, Z. Pedramrazi, H.-Z. Tsai, C. Jia, B. Moritz, M. Claassen, H. Ryu, S. Kahn, J. Jiang, H. Yan, M. Hashimoto, D. Lu, R.G. Moore, C.-C. Hwang, C. Hwang, Z. Hussain, Y. Chen, M.M. Ugeda, Z. Liu, X. Xie, T. P. Devereaux, M.F. Crommie, S.-K. Mo, Z.-X. Shen, Nat. Phys. 13, 683 (2017).
S. Wu, V. Fatemi, Q.D. Gibson, K. Watanabe, T. Taniguchi, R.J. Cava, P. Jarillo-Herrero, Science 359, 76 (2018).
V. Fatemi, S. Wu, Y. Cao, L. Bretheau, Q.D. Gibson, K. Watanabe, T. Taniguchi, R.J. Cava, P. Jarillo-Herrero, Science 362, 926 (2018).
E. Sajadi, T. Palomaki, Z. Fei, W. Zhao, P. Bement, C. Olsen, S. Luescher, X. Xu, J.A. Folk, D.H. Cobden, Science 362, 922 (2018).
J.M. Lu, O. Zheliuk, I. Leermakers, N.F.Q. Yuan, U. Zeitler, K.T. Law, J.T. Ye, Science 350, 1353 (2015).
Q. Liu, X. Zhang, L.B. Abdalla, A. Fazzio, A. Zunger, Nano Lett. 15, 1222 (2015).
J. Kim, S.S. Baik, S.H. Ryu, Y. Sohn, S. Park, B.-G. Park, J. Denlinger, Y. Yi, H.J. Choi, K.S. Kim, Science 349, 723 (2015).
J. Velasco, L. Jing, W. Bao, Y. Lee, P. Kratz, V. Aji, M. Bockrath, C.N. Lau, C. Varma, R. Stillwell, D. Smirnov, F. Zhang, J. Jung, A.H. MacDonald, Nat. Nanotechnol. 7, 156 (2012).
Y. Lee, D. Tran, K. Myhro, J. Velasco Jr., N. Gillgren, C.N. Lau, Y. Barlas, J.M. Poumirol, D. Smirnov, F. Guinea, Nat. Commun. 5, 5656 (2014).
P. Maher, C.R. Dean, A.F. Young, T. Taniguchi, K. Watanabe, K.L. Shepard, J. Hone, P. Kim, Nat. Phys. 9, 154 (2013).
B. Huang, G. Clark, D.R. Klein, D. MacNeill, E. Navarro-Moratalla, K.L. Seyler, N. Wilson, M.A. McGuire, D.H. Cobden, D. Xiao, W. Yao, P. Jarillo-Herrero, X. Xu, “Electrical Control of 2D Magnetism in Bilayer CrI3,” preprint, submitted arXiv:1802.06979 (2018).
S. Jiang, L. Li, Z. Wang, K.F. Mak, J. Shan, “Controlling Magnetism in 2D CrI3 by Electrostatic Doping,” preprint, submitted arXiv:1802.07355 (2018).
S. Jiang, J. Shan, K.F. Mak, Nat. Mater. 17, 406 (2018).
V.M. Pereira, A.H. Castro Neto, Phys. Rev. Lett. 103, 046801 (2008).
H. Vandeparre, M. Pineirua, F. Brau, B. Roman, J. Bico, C. Gay, W. Bao, C.N. Lau, P.M. Reis, P. Damman, Phys. Rev. Lett. 106, 224301 (2011).
W.Z. Bao, F. Miao, Z. Chen, H. Zhang, W.Y. Jang, C. Dames, C.N. Lau, Nat. Nanotechnol. 4, 562 (2009).
W. Bao, K. Myhro, Z. Zhao, Z. Chen, W. Jang, L. Jing, F. Miao, H. Zhang, C. Dames, C.N. Lau, Nano Lett. 12, 5470 (2012).
H. Zhang, J.-W. Huang, J. Velasco Jr., K. Myhro, M. Maldonado, D. Tran, Z. Zhao, F. Wang, Y. Lee, G. Liu, W. Bao, C.N. Lau, Carbon 69, 336 (2014).
C. Lee, X.D. Wei, J.W. Kysar, J. Hone, Science 321, 385 (2008).
F. Xia, T. Mueller, Y.-M. Lin, A. Valdes-Garcia, P. Avouris, Nat. Nanotechnol. 4, 839 (2009).
X. Wang, P. Wang, J. Wang, W. Hu, X. Zhou, N. Guo, H. Huang, S. Sun, H. Shen, T. Lin, M. Tang, L. Liao, A. Jiang, J. Sun, X. Meng, X. Chen, W. Lu, J. Chu, Adv. Mater. 27, 6575 (2015).
D. Kufer, G. Konstantatos, Nano Lett. 15, 7307 (2015).
N. Youngblood, C. Chen, S.J. Koester, M. Li, Nat. Photonics 9, 247 (2015).
H. Yuan, X. Liu, F. Afshinmanesh, W. Li, G. Xu, J. Sun, B. Lian, A.G. Curto, G. Ye, Y. Hikita, Z. Shen, S.-C. Zhang, X. Chen, M. Brongersma, H.Y. Hwang, Y. Cui, Nat. Nanotechnol. 10, 707 (2015).
M. Engel, M. Steiner, P. Avouris, Nano Lett. 14, 6414 (2014).
C.-H. Liu, Y.-C. Chang, T.B. Norris, Z. Zhong, Nat. Nanotechnol. 9, 273 (2014).
A. Ohtomo, H.Y. Hwang, Nature 427, 423 (2004).
S. Gariglio, N. Reyren, A.D. Caviglia, J.M. Triscone, J. Phys. Condens. Matter 21, 164213 (2009).
M. Ben Shalom, M. Sachs, D. Rakhmilevitch, A. Palevski, Y. Dagan, Phys. Rev. Lett. 104, 126802 (2010).
Ariando, X. Wang, G. Baskaran, Z.Q. Liu, J. Huijben, J.B. Yi, A. Annadi, A.R. Barman, A. Rusydi, S. Dhar, Y. P. Feng, J. Ding, H. Hilgenkamp, T. Venkatesan, Nat. Commun. 2, 188 (2011).
G.W. Burg, N. Prasad, K. Kim, T. Taniguchi, K. Watanabe, A.H. MacDonald, L.F. Register, E. Tutuc, Phys. Rev. Lett. 120, 177702 (2018).
S. He, J. He, W. Zhang, L. Zhao, D. Liu, X. Liu, D. Mou, Y.-B. Ou, Q.-Y. Wang, Z. Li, L. Wang, Y. Peng, Y. Liu, C. Chen, L. Yu, G. Liu, X. Dong, J. Zhang, C. Chen, Z. Xu, X. Chen, X. Ma, Q. Xue, X.J. Zhou, Nat. Mater. 12, 605 (2013).
D. Huang, J.E. Hoffman, Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 8, 311 (2017).
L.A. Ponomarenko, R.V. Gorbachev, G.L. Yu, D.C. Elias, R. Jalil, A.A. Patel, A. Mishchenko, A.S. Mayorov, C.R. Woods, J.R. Wallbank, M. Mucha-Kruczynski, B.A. Piot, M. Potemski, I.V. Grigorieva, K.S. Novoselov, F. Guinea, V.I. Fal’ko, A.K. Geim, Nature 497, 594 (2013).
B. Hunt, J.D. Sanchez-Yamagishi, A.F. Young, M. Yankowitz, B.J. LeRoy, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Moon, M. Koshino, P. Jarillo-Herrero, R.C. Ashoori, Science 340, 1427 (2013).
C.R. Dean, L. Wang, P. Maher, C. Forsythe, F. Ghahari, Y. Gao, J. Katoch, M. Ishigami, P. Moon, M. Koshino, T. Taniguchi, K. Watanabe, K.L. Shepard, J. Hone, P. Kim, Nature 497, 598 (2013).
P. Wang, B. Cheng, O. Martynov, T. Miao, L. Jing, T. Taniguchi, K. Watanabe, V. Aji, C.N. Lau, M. Bockrath, Nano Lett. 15, 6395 (2015).
D.R. Hofstadter, Phys. Rev. B 14, 2239 (1976).
A. Avsar, J.Y. Tan, T. Taychatanapat, J. Balakrishnan, G.K.W. Koon, Y. Yeo, J. Lahiri, A. Carvalho, A.S. Rodin, E.C.T. O’Farrell, G. Eda, A.H. Castro Neto, B. Özyilmaz, Nat. Commun. 5, 4875 (2014).
M. Gmitra, J. Fabian, Phys. Rev. B 92, 155403 (2015).
M. Gmitra, J. Fabian, Phys. Rev. Lett. 119, 146401 (2017).
J.Y. Khoo, A.F. Morpurgo, L. Levitov, Nano Lett. 17, 7003 (2017).
L.A. Benítez, J.F. Sierra, W. Savero Torres, A. Arrighi, F. Bonell, M.V. Costache, S.O. Valenzuela, Nat. Phys. 14, 303 (2018).
Z. Wang, D.K. Ki, H. Chen, H. Berger, A.H. MacDonald, A.F. Morpurgo, Nat. Commun. 6, 8339 (2015).
Z. Wang, D.-K. Ki, J.Y. Khoo, D. Mauro, H. Berger, L.S. Levitov, A.F. Morpurgo, Phys. Rev. X 6, 041020 (2016).
B. Yang, M.-F. Tu, J. Kim, Y. Wu, H. Wang, J. Alicea, R. Wu, M. Bockrath, J. Shi, 2D Mater. 3, 031012 (2016).
B. Yang, M. Lohmann, D. Barroso, I. Liao, Z. Lin, Y. Liu, L. Bartels, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Shi, Phys. Rev. B 96, 041409 (2017).
S. Zihlmann, A.W. Cummings, J.H. Garcia, M. Kedves, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Schönenberger, P. Makk, Phys. Rev. B 97, 075434 (2018).
T. Wakamura, F. Reale, P. Palczynski, S. Guéron, C. Mattevi, H. Bouchiat, Phys. Rev. Lett. 120, 106802 (2018).
J.O. Island, X. Cui, C. Lewandowski, J.Y. Khoo, E.M. Spanton, H. Zhou, D. Rhodes, J.C. Hone, T. Taniguchi, K. Watanabe, L.S. Levitov, M.P. Zaletel, A.F. Young, Nature 571, 85 (2019).
D. Wang, S. Che, G. Cao, R. Lyu, K. Watanabe, T. Taniguchi, C.N. Lau, M. Bockrath, Nano Lett. 19, 7028 (2019).
Z. Wang, C. Tang, R. Sachs, Y. Barlas, J. Shi, Phys. Rev Lett. 114, 016603 (2015).
M.Z. Hasan, C.L. Kane, Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010).
X.-L. Qi, S.-C. Zhang, Rev. Mod. Phys. 83, 1057 (2011).
S. Masatoshi, A. Yoichi, Rep. Prog. Phys. 80, 076501 (2017).
R. Bistritzer, A.H. MacDonald, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 12233 (2011).
J.M.B. Lopes dos Santos, N.M.R. Peres, A.H. Castro Neto, Phys. Rev. Lett. 99, 256802 (2007).
Y. Cao, V. Fatemi, S. Fang, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. Kaxiras, P. Jarillo-Herrero, Nature 556, 43 (2018).
Y. Cao, V. Fatemi, A. Demir, S. Fang, S.L. Tomarken, J.Y. Luo, J.D. Sanchez-Yamagishi, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. Kaxiras, R.C. Ashoori, P. Jarillo-Herrero, Nature 556, 80 (2018).
X. Lu, P. Stepanov, W. Yang, M. Xie, M.A. Aamir, I. Das, C. Urgell, K. Watanabe, T. Taniguchi, G. Zhang, A. Bachtold, A.H. MacDonald, D.K. Efetov, Nature 574, 653 (2019).
M. Serlin, C.L. Tschirhart, H. Polshyn, Y. Zhang, J. Zhu, K. Watanabe, T. Taniguchi, L. Balents, A.F. Young, Science 367, 900 (2020).
M. Yankowitz, S. Chen, H. Polshyn, K. Watanabe, T. Taniguchi, D. Graf, A.F. Young, C.R. Dean, Science 363, 1059 (2019).
F. Wu, T. Lovorn, E. Tutuc, I. Martin, A.H. MacDonald, Phys. Rev. Lett. 122, 086402 (2019).
F. Wu, T. Lovorn, E. Tutuc, A.H. MacDonald, Phys. Rev. Lett. 121, 026402 (2018).
F. Xue, A.H. MacDonald, Phys. Rev. Lett. 120, 186802 (2018).
R.E. Prange, S.M. Girvin, Eds., The Quantum Hall Effect (Springer-Verlag, New York, 1987).
C.L. Kane, E.J. Mele, Phys. Rev. Lett. 95, 226801 (2005).
Z. Fei, T. Palomaki, S. Wu, W. Zhao, X. Cai, B. Sun, P. Nguyen, J. Finney, X. Xu, D.H. Cobden, Nat. Phys. 13, 677 (2017).
S. Wu, V. Fatemi, Q.D. Gibson, K. Watanabe, T. Taniguchi, R.J. Cava, P. Jarillo-Herrero, Science 359, 76 (2018).
B.A. Bernevig, T.L. Hughes, S.-C. Zhang, Science 314, 1757 (2006).
G.M. Gusev, Z.D. Kvon, O.A. Shegai, N.N. Mikhailov, S.A. Dvoretsky, J.C. Portal, Phys. Rev. B 84, 121302 (2011).
I. Knez, R.-R. Du, G. Sullivan, Phys. Rev. Lett. 107, 136603 (2011).
M. König, S. Wiedmann, C. Brüne, A. Roth, H. Buhmann, L.W. Molenkamp, X.-L. Qi, S.-C. Zhang, Science 318, 766 (2007).
T. Li, P. Wang, H. Fu, L. Du, K.A. Schreiber, X. Mu, X. Liu, G. Sullivan, G.A. Csáthy, X. Lin, R.-R. Du, Phys. Rev. Lett. 115, 136804 (2015).
A. Roth, C. Brüne, H. Buhmann, L.W. Molenkamp, J. Maciejko, X.-L. Qi, S.-C. Zhang, Science 325, 294 (2009).
K. Suzuki, Y. Harada, K. Onomitsu, K. Muraki, Phys. Rev. B 87, 235311 (2013).
B.A. Bernevig, S.C. Zhang, Phys. Rev. Lett. 96, 106802 (2006).
M. Konig, S. Wiedmann, C. Brune, A. Roth, H. Buhmann, L.W. Molenkamp, X.L. Qi, S.C. Zhang, Science 318, 766 (2007).
A. Roth, C. Brüne, H. Buhmann, L.W. Molenkamp, J. Maciejko, X.-L. Qi, S.-C. Zhang, Science 325, 294 (2009).
R. Yu, W. Zhang, H.J. Zhang, S.C. Zhang, X. Dai, Z. Fang, Science 329, 61 (2010).
M. Onoda, N. Nagaosa, Phys. Rev. Lett. 90, 206601 (2003).
F.D.M. Haldane, Phys. Rev. Lett. 61, 2015 (1988).
C.-Z. Chang, J. Zhang, X. Feng, J. Shen, Z. Zhang, M. Guo, K. Li, Y. Ou, P. Wei, L.-L. Wang, Z.-Q. Ji, Y. Feng, S. Ji, X. Chen, J. Jia, X. Dai, Z. Fang, S.-C. Zhang, K. He, Y. Wang, L. Lu, X.-C. Ma, Q.-K. Xue, Science 340, 167 (2013).
C.-Z. Chang, W. Zhao, D.Y. Kim, H. Zhang, B.A. Assaf, D. Heiman, S.-C. Zhang, C. Liu, M.H.W. Chan, J.S. Moodera, Nat. Mater. 14, 473 (2015).
J.G. Checkelsky, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, K.S. Takahashi, Y. Kozuka, J. Falson, M. Kawasaki, Y. Tokura, Nat. Phys. 10, 731 (2014).
M. Mogi, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, K. Yasuda, Y. Kozuka, K.S. Takahashi, M. Kawasaki, Y. Tokura, Appl. Phys. Lett. 107, 182401 (2015).
Y. Deng, Y. Yu, M.Z. Shi, Z. Guo, Z. Xu, J. Wang, X.H. Chen, Y. Zhang, Science 367, 895 (2020).
G. Chen, A.L. Sharpe, E.J. Fox, Y.-H. Zhang, S. Wang, L. Jiang, B. Lyu, H. Li, K. Watanabe, T. Taniguchi, Z. Shi, T. Senthil, D. Goldhaber-Gordon, Y. Zhang, F. Wang, “Tunable Correlated Chern Insulator and Ferromagnetism in Trilayer Graphene/Boron Nitride Moiré Superlattice ,” preprint, submitted arXiv: 1905.06535 (2019).
J. Knolle, R. Moessner, Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 10, 451 (2019).
L. Savary, L. Balents, Rep. Prog. Phys. 80, 016502 (2016).
C. Broholm, R.J. Cava, S.A. Kivelson, D.G. Nocera, M.R. Norman, T. Senthil, Science 367, eaay0668 (2020).
T. Imai, Y.S. Lee, Phys. Today 69, 30 (2016).
L.V. Butov, Solid State Commun. 127, 89 (2003).
J.P. Eisenstein, Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 5, 159 (2014).
Y. Yu, A.W. Bataller, R. Younts, Y. Yu, G. Li, A.A. Puretzky, D.B. Geohegan, K. Gundogdu, L. Cao, ACS Nano 13, 10351 (2019).
X. Liu, K. Watanabe, T. Taniguchi, B.I. Halperin, P. Kim, Nat. Phys. 13, 746 (2017).
Z. Wang, D.A. Rhodes, K. Watanabe, T. Taniguchi, J.C. Hone, J. Shan, K.F. Mak, Nature 574, 76 (2019).
M. Li, G. Chen, MRS Bull. 45 (5), 348 (2020).
L.V. Butov, MRS Bull. 45 (5), 380 (2020).
W.S. Torres, J.F. Sierra, L.A. Benítez, F. Bonell, J.H. García, S. Roche, S.O. Valenzuela, MRS Bull. 45 (5), 357 (2020)
C.-L. Song, X.-C. Ma, Q.-K. Xue, MRS Bull. 45 (5), 366 (2020).
K.L. Wang, Y. Wu, C. Eckberg, G. Yin, Q. Pan, MRS Bull. 45 (5), 373 (2020).