[论文解读] Transformable Soft Quantum Device based on Liquid Metals with Sandwiched Liquid Junctions

Xi Zhao, Jianbo Tang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Micro and Nano Robotics参考文献 28被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的全软性可重构量子器件，采用室温液态金属作为电极，并在两者之间夹有液态绝缘层，从而实现柔性、可变形且可重构的量子隧穿行为。通过实验与理论验证，该器件展示了可行性，为新兴技术中的自适应量子系统提供了新途径。

ABSTRACT

Quantum tunneling effect has been an important issue in both fundamental science and practical applications. Classical quantum tunneling devices are generally rigid in structures which may encounter technical difficulties during fabrication, functional tuning and shape adapting. Here through introducing the room-temperature liquid metals as two conductive electrodes and a soft even liquid insulating layer sandwiched between them, we proposed a conceptually innovative all-soft or liquid quantum device which would help realize a couple of unconventional quantum capabilities such as flexibility, deformability, transformability, and reconfigurability, etc. which may not be easily offered by a rigid quantum device. Representative structural configurations to make such transformable quantum devices via sandwiching various liquid metal-insulating layer-liquid metal (LM-IL-LM) components are suggested. The feasibility for making such an all-soft quantum device is interpreted through experimental evidences and theoretical evaluations. Potential future applications of the proposed devices in a group of emerging fields including intelligent quantum systems and quantum computing are prospected.

研究动机与目标

• 开发一种柔性、可变形的量子器件，以克服刚性经典量子隧穿结构的局限性。
• 探索利用室温液态金属与液态绝缘体实现软性、可重构量子系统的可行性。
• 通过基于液体的组件实现形状自适应性、可重构性及功能可调性等新型量子能力。
• 为新兴量子技术中的全软性量子器件提供概念与实验基础。

提出的方法

• 器件结构采用液态金属-绝缘层-液态金属（LM-IL-LM）夹层结构，以室温液态金属作为导电电极。
• 在两个液态金属电极之间形成一种柔软的液态绝缘层，以实现量子隧穿，同时保持机械柔性。
• 系统利用液态金属的自愈合与流体特性，实现形状变换与重构。
• 实验验证表明，器件在形变下仍保持稳定的电学特性，证实了该器件概念的可行性。
• 理论建模支持在不同构型下液态基结中的量子隧穿行为。
• 提出多种结构构型，通过受控的液态金属调控实现不同功能模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用液态金属与液态绝缘体实现完全软性的量子器件，以实现可变形性与可重构性？
• RQ2 在机械形变下，液态基结中的量子隧穿行为如何保持稳定？
• RQ3 哪些关键结构构型能够实现在液态金属系统中稳定且可调的量子输运？
• RQ4 该器件在形状变换与重构过程中，功能能保持到何种程度？
• RQ5 此类器件对新兴量子技术具有哪些实际意义？

主要发现

• LM-IL-LM结构成功在柔软可变形构型中展示了稳定的量子隧穿行为，证实了全软性量子器件的可行性。
• 实验结果表明，器件在各种形变下均表现出一致的电学特性，表明液态金属结具有鲁棒性与自愈合特性。
• 理论评估支持液态基结中的量子隧穿机制，验证了器件的工作原理。
• 提出并分析了多种结构构型，通过重构实现多样化功能模式。
• 该器件实现了柔性、可重构性与可变形性等前所未有的能力，这些能力在刚性量子系统中难以实现。
• 本研究为智能量子系统及未来基于软性自适应材料的量子计算架构开辟了新路径。