科学家在室温下发现奇异的量子态

物理学家首次在室温下在拓扑绝缘体中观察到新的量子效应。这一突破作为10月号NatureMaterials的封面文章发表，当时普林斯顿大学的科学家们探索了一种基于元素铋的拓扑材料。

十多年来，科学家们一直在使用拓扑绝缘体来证明量子效应，但这项实验是第一次在室温下观察到这些效应。通常，在拓扑绝缘体中诱导和观察量子态需要绝对零附近的温度，即-459华氏度(或-273摄氏度)。

这一发现为开发有效的量子技术开辟了新的可能性，例如基于自旋的电子学，它可能会取代许多当前的电子系统以获得更高的能源效率。

近年来，物质拓扑态的研究引起了物理学家和工程师的广泛关注，是目前国际上广泛关注和研究的焦点。这一研究领域将量子物理学与拓扑学相结合——拓扑学是理论数学的一个分支，它探索可以变形但本质上不会改变的几何特性。

“无论从基础物理学的角度来看，还是在下一代量子工程和纳米技术中寻找潜在应用，物质的新颖拓扑特性已成为现代物理学中最受欢迎的宝藏之一，”M.ZahidHasan说，普林斯顿大学的尤金·希金斯物理学教授，他领导了这项研究。

“这项工作得益于我们普林斯顿实验室的多项创新实验进展，”哈桑补充道。

用于研究量子拓扑奥秘的主要器件组件称为拓扑绝缘体。这是一种独特的装置，在其内部充当绝缘体，这意味着内部的电子不能自由移动，因此不导电。

然而，设备边缘的电子可以自由移动，这意味着它们是导电的。此外，由于拓扑的特殊性质，沿边缘流动的电子不受任何缺陷或变形的阻碍。该设备不仅具有改进技术的潜力，而且还具有通过探测量子电子特性来加深对物质本身的理解的潜力。

然而，直到现在，在寻求将材料和设备用于功能设备中的过程中，还存在一个主要的绊脚石。“人们对拓扑材料很感兴趣，人们经常谈论它们在实际应用中的巨大潜力，”哈桑说，“但在室温下可以表现出一些宏观量子拓扑效应之前，这些应用可能仍然无法实现。”

这是因为环境或高温会产生物理学家所说的“热噪声”，其定义为温度升高，使得原子开始剧烈振动。这种行为可以破坏微妙的量子系统，从而使量子态崩溃。特别是在拓扑绝缘体中，这些较高的温度会造成绝缘体表面上的电子侵入绝缘体内部或“体块”的情况，并导致那里的电子也开始传导，从而稀释或破坏特殊的量子效应。

解决这个问题的方法是将此类实验置于异常寒冷的温度下，通常处于或接近绝对零。在这些令人难以置信的低温下，原子和亚原子粒子停止振动，因此更容易操纵。但是，对于许多应用程序来说，创建和维护超冷环境是不切实际的。它成本高、体积大并且消耗大量能源。

但哈桑和他的团队已经开发出一种创新方法来绕过这个问题。基于他们在拓扑材料方面的经验并与许多合作者合作，他们制造了一种由溴化铋(化学式α-Bi4Br4)制成的新型拓扑绝缘体，溴化铋是一种无机结晶化合物，有时用于水处理和化学分析.

“我们发现它们没有巨大的压力或超高磁场，这真是太棒了，从而使这些材料更容易用于开发下一代量子技术，”获得博士学位的NanaShumiya说。在普林斯顿，他是电气和计算机工程的博士后研究助理，并且是该论文的三位共同第一作者之一。

她补充说：“我相信我们的发现将大大推进量子前沿。”

这一发现的根源在于量子霍尔效应的工作原理——一种拓扑效应的形式，是1985年诺贝尔物理学奖的主题。从那时起，拓扑相得到了深入研究。已经发现了许多具有拓扑电子结构的新型量子材料，包括拓扑绝缘体、拓扑超导体、拓扑磁体和外尔半金属。

在迅速做出实验发现的同时，理论发现也在取得进展。1988年，普林斯顿谢尔曼费尔柴尔德大学物理学教授F.DuncanHaldane提出了关于二维(2D)拓扑绝缘体的重要理论概念。

他因在拓扑相变和一种二维拓扑绝缘体方面的理论发现而获得2016年诺贝尔物理学奖。随后的理论发展表明，拓扑绝缘体可以采用基于电子自旋轨道相互作用的霍尔丹模型的两个副本的形式。

Hasan和他的团队在2007年发现了第一个三维拓扑绝缘体的例子后，一直在寻找一种也可以在室温下运行的拓扑量子态。最近，他们找到了Haldane的材料解决方案。能够在室温下工作的kagome晶格磁体中的猜想，它也表现出所需的量化。

“kagome晶格拓扑绝缘体可以设计成具有相对论带交叉和强电子-电子相互作用。两者对于新的磁性都是必不可少的，”哈桑说。“因此，我们意识到，kagome磁体是一种很有前途的系统，可以在其中寻找拓扑磁体相，因为它们就像我们十多年前发现和研究的拓扑绝缘体一样。”

“与第一性原理理论相结合的合适的原子化学和结构设计是使拓扑绝缘体的推测预测在高温环境中变得现实的关键步骤，”哈桑说。“有数百种拓扑材料，我们需要直觉、经验、特定材料的计算和激烈的实验努力，最终找到合适的材料进行深入探索。这让我们踏上了长达十年的调查之旅铋基材料。”

绝缘体，如半导体，具有所谓的绝缘或带隙。这些本质上是轨道电子之间的“屏障”，一种电子无法进入的“无人区”。这些带隙非常重要，因为除其他外，它们提供了克服由热噪声强加的实现量子态的限制的关键。

如果带隙的宽度超过热噪声的宽度，它们就会这样做。但是太大的带隙可能会破坏电子的自旋轨道耦合——这是电子自旋与其围绕原子核的轨道运动之间的相互作用。当这种破坏发生时，拓扑量子态就会崩溃。因此，诱导和维持量子效应的诀窍是在大带隙和自旋轨道耦合效应之间找到平衡。

根据合作者和合著者FanZhang和YuguiYao的提议，以探索一种外尔金属，Hasan和团队研究了溴化铋家族材料。但该团队无法在这些材料中观察到外尔现象。相反，Hasan和他的团队发现溴化铋绝缘体的特性使其与他们之前研究过的基于铋锑的拓扑绝缘体(Bi-Sb合金)相比更加理想。

它具有超过200meV(“毫电子伏特”)的大绝缘间隙。这大到足以克服热噪声，但又小到不会破坏自旋轨道耦合效应和能带反转拓扑。

“在这种情况下，在我们的实验中，我们发现了自旋轨道耦合效应和大带隙宽度之间的平衡，”哈桑说。“我们发现有一个‘最佳点’，你可以在其中拥有相对较大的自旋轨道耦合来产生拓扑扭曲，并在不破坏带隙的情况下提高带隙。这有点像铋基材料的平衡点，我们已经学习了很长时间。”

当研究人员通过亚原子分辨率扫描隧道显微镜观察实验中发生的事情时，他们知道他们已经实现了他们的目标，这是一种独特的设备，它使用一种称为“量子隧道”的特性，电子在尖锐的金属之间汇集，显微镜和样品的单原子尖端。

显微镜使用这种隧道电流而不是光来观察原子尺度上的电子世界。研究人员观察到一个清晰的量子自旋霍尔边缘状态，这是拓扑系统中唯一存在的重要特性之一。这需要额外的新仪器来独特地隔离拓扑效应。

“我们第一次证明了一类基于铋的拓扑材料，其拓扑结构可以在室温下存活，”哈桑说。“我们对我们的结果非常有信心。”

这一发现是多年来之不易的实验工作的结晶，需要在实验中引入额外的新仪器理念。15年来，Hasan一直是实验量子拓扑材料领域的领先研究员，拥有新颖的实验方法;事实上，他是该领域的早期先驱研究人员之一。

例如，在2005年至2007年期间，他和他的研究小组使用新颖的实验方法发现了三维铋锑块状固体、半导体合金和相关拓扑狄拉克材料的拓扑序。这导致了拓扑磁性材料的发现。在2014年至2015年期间，他们发现了一类新的拓扑材料，称为磁性外尔半金属。

研究人员相信，这一突破将为未来量子技术的大量研究可能性和应用打开大门。

“我们相信这一发现可能是纳米技术未来发展的起点，”Hasan实验室的博士后研究员、该研究的另一位共同第一作者ShafayatHossain说。“在拓扑技术中，有太多的可能性正在等待，而找到合适的材料和新颖的仪器是实现这一目标的关键之一。”

哈桑和他的团队认为这一突破将产生特别影响的一个研究领域是下一代量子技术。研究人员认为，这一新突破将加速开发更高效、更“绿色”的量子材料。

目前，该小组的理论和实验重点集中在两个方向，哈桑说。

首先，研究人员想要确定哪些其他拓扑材料可以在室温下运行，并且重要的是，为其他科学家提供工具和新的仪器方法来识别可以在室温和高温下运行的材料。

其次，研究人员希望继续深入探索量子世界，因为这一发现使得在更高温度下进行实验成为可能。

这些研究将需要开发另一套新的仪器和技术，以充分利用这些材料的巨大潜力。“我看到了一个巨大的机会，可以通过我们的新仪器进一步深入探索奇异和复杂的量子现象，跟踪宏观量子态的更精细细节，”哈桑说。“谁知道我们会发现什么?”

“我们的研究在展示拓扑材料在节能应用方面的潜力方面迈出了真正的一步，”哈桑补充道。“我们在这个实验中所做的是种下种子，鼓励其他科学家和工程师有远大的梦想。”

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