客观日本

量子材料研究领域3名教授荣获NIMS奖

2021年09月15日 宏观政策与科学奖

日本国立物质材料研究所(NIMS)日前评选出了本年度的NIMS奖三名获得者,他们分别是安藤恒也(东京工业大学荣誉/名誉教授、东京大学名誉教授)、艾伦·麦克唐纳(德克萨斯大学奥斯汀分校物理学教授)及巴勃罗·贾里洛·埃雷罗(麻省理工学院塞西尔和艾达绿色物理学教授),其中麦克唐纳和埃雷罗获得的是团体奖。此次的授奖领域为“表现量子效应的物质和结构等量子材料相关研究或引领量子材料创新应用的研究”,三人的研究为利用石墨烯等终极二维物质的新一代量子器件开发打开了突破口,安藤的“构筑低维物质量子特性相关的理论基础”,以及麦克唐纳和埃雷罗的“基于扭转电子学的量子物理先驱研究”被评为世界一流的杰出成就。颁奖仪式及获奖纪念演讲预定于11月17日作为NIMS Week的一个环节进行直播。

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左:安藤恒也,中:艾伦·麦克唐纳,右:巴勃罗·贾里洛·埃雷罗(图片:国立物质材料研究所提供)

安藤教授着眼于电子传输现象中出现的量子效应和多电子相互作用效应推进了开创性的研究,针对弹道导电、电导涨落、量子霍尔效应、边缘态和量子混沌等有趣的量子效应,明确了很多相关理论。尤其是在半导体二维电子系统的量子效应研究中,明确了碳纳米管和石墨烯是本质上具有量子导电特性的低维材料,为开拓碳纳米材料的研究领域做出了巨大贡献。安藤教授的半导体二维电子系统的理论研究是为二维材料的导电特性提供了学术基础的先锋研究,已成为理解低维传导不可或缺的理论体系。例如,决定二维电子导电性的散射因素分析就应用了安藤的理论,为广泛普及的硅MOS晶体管和GaAs异质结构元件的特性评估做出了巨大贡献。另外,利用量子霍尔效应的精密电阻标准器已经实现,其理论基础也是安藤教授确立的。安藤教授关于碳纳米管和石墨烯的理论研究目前在低维凝聚态物理学研究方面发挥着主导作用,并对物理学、材料科学和电子工学等广泛领域产生着长久的影响。

麦克唐纳教授对以略微不同的角度层压的双层石墨烯(扭曲双层石墨烯)进行了理论研究,石墨烯的电子状态会随着扭曲角度的变化而变化,他预言,在特定的扭曲角度(魔角)下,会出现名为“平带”、它在量子力学上值得关注的电子状态。具有平带的物质非常有趣,电子相互作用的效应会增强,并且有望表现出磁性和超导等有用的强关联电子系统特有的物理性质。仅由碳原子构成的扭曲双层石墨烯中出现强关联现象,这项令人惊讶的理论研究结果极富开创性和启发性。

埃雷罗教授开发了扭曲双层石墨烯的制作技术,并通过实验证明,在麦克唐纳指出的魔角附近会出现奇特的电子状态。具体来说,在魔角附近发现了被认为与电子有关的绝缘体相,另外还发现其附近会出现超导相。埃雷罗等人绘制的相图与铜氧化物高温超导体的相图相似,这也引起了极大的关注,成为扭曲双层石墨烯及相关的材料研究爆发式兴起的契机。两人的研究促成了“扭转电子学”这种新的材料控制技术的开发。之后在理论上逐渐阐明了,扭曲双层石墨烯的电子状态处于一种不仅与强关联效应有关,与拓扑也有关的非常奇特的状态。另外,还兴起了通过扭转电子学控制三层和四层石墨烯及原子层过渡金属二硫化物的物理性质的研究等,可以说两人的研究成果开辟了新的领域。此外,两人的成果还提供了有助于原子层物质器件化的新的物理性质控制方法,为应用研究开辟了道路,在世界范围获得了高度的评价。

原文:《科学新闻》
翻译编辑:JST客观日本编辑部