物理学家在元素固体中发现了一种新的量子态

物理学家在晶体材料中观察到了一种称为“混合拓扑”的新型量子效应。这一发现为开发下一代量子科学和工程的高效材料和技术开辟了一系列新的可能性。

这一发现发表在《自然》杂志上，当时普林斯顿大学的科学家发现，由砷(As)原子组成的元素固体晶体具有一种以前从未观察到的拓扑量子行为。他们能够使用扫描隧道显微镜(STM)和光电子能谱来探索和成像这种新颖的量子态，后者是一种用于确定分子和原子中电子相对能量的技术。

这种状态结合或“混合”了两种形式的拓扑量子行为——边缘态和表面态，它们是量子二维电子系统的两种类型。这些已经在之前的实验中观察到，但从未在同一材料中同时观察到，它们混合形成新的物质状态。

“这一发现完全出乎意料，”领导这项研究的普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授扎希德·哈桑 (M. Zahid Hasan) 说。 “在观测之前，没有人在理论上预测到它。”

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，也是目前国际上广泛关注和研究的焦点。该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，探索可以变形但本质上不会改变的几何特性。

十多年来，科学家们主要通过制造复合材料，例如将铋与硒 (Se) 混合，使用基于铋 (Bi) 的拓扑绝缘体来演示和探索散装固体中的奇异量子效应。然而，这个实验是首次在砷元素晶体中发现拓扑效应。

“无论是从基础物理学的角度来看，还是为了寻找下一代量子科学和工程的潜在应用，对物质新颖拓扑特性的探索和发现已成为现代物理学中最受欢迎的宝藏之一，”哈桑。 “在元素固体中发现这种新的拓扑状态是通过我们普林斯顿实验室的多项创新实验进展和仪器实现的。”

元素固体是测试各种拓扑概念的宝贵实验平台。到目前为止，铋是唯一拥有丰富拓扑结构的元素，导致了二十年的深入研究活动。这部分归因于材料的清洁度和合成的容易性。然而，目前在砷中发现更丰富的拓扑现象可能会为新的、持续的研究方向铺平道路。

哈桑说：“我们第一次证明，类似于不同的相关现象，不同的拓扑顺序也可以相互作用并产生新的、有趣的量子现象。”

拓扑材料是研究量子拓扑奥秘的主要组成部分。该设备的内部充当绝缘体，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，沿着边缘流动的电子不会受到任何缺陷或变形的阻碍。这种类型的设备不仅有可能改进技术，而且可以通过探测量子电子特性来加深对物质本身的理解。

哈桑指出，人们对将拓扑材料用于实际应用很感兴趣。但在实现这一目标之前，还需要取得两项重要进展。首先，量子拓扑效应必须在更高的温度下显现出来。其次，需要找到能够承载拓扑现象的简单基本材料系统(例如用于传统电子产品的硅)。

哈桑说：“在我们的实验室中，我们在两个方向上都做出了努力——我们正在寻找更简单、易于制造的材料系统，在其中可以发现基本的拓扑效应。” “我们还在寻找如何使这些效应在室温下持续存在。”

实验背景

这一发现的根源在于量子霍尔效应的工作原理，这是一种拓扑效应，是 1985 年诺贝尔物理学奖的主题。从那时起，人们开始研究拓扑相，并研究了许多具有拓扑相的新型量子材料。已发现电子结构。最值得注意的是，普林斯顿大学 Arthur Legrand Doty 电气工程荣誉教授 Daniel Tsui 因发现分数量子霍尔效应而获得 1998 年诺贝尔物理学奖。

同样，普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授 F. Duncan Haldane 因拓扑相变和一种二维 (2D) 拓扑绝缘体的理论发现而获得 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。

哈桑和他的研究团队一直追随这些研究人员的脚步，研究拓扑绝缘体的其他方面并寻找新的物质状态。这使得他们在 2007 年发现了第一个三维 (3D) 拓扑绝缘体的例子。从那时起，哈桑和他的团队花了十年的时间寻找一种最简单形式的新拓扑态，这种拓扑态也可以在室温下运行。

哈桑说：“适当的原子化学和结构设计与第一性原理理论相结合，是使拓扑绝缘体的推测性预测在高温环境下变得现实的关键一步。”

“量子材料有数百种，我们需要直觉、经验、特定材料的计算和大量的实验努力，才能最终找到适合深入探索的材料。这让我们踏上了长达十年的研究许多铋的旅程基于材料，导致许多基础性发现。”

本实验

至少在原则上，铋基材料能够在高温下呈现物质的拓扑状态。然而，这些需要在超高真空条件下制备复杂的材料，因此研究人员决定探索其他几个系统。博士后研究员 Shafayat Hossain 博士提出了一种由砷制成的晶体，因为它可以以比许多铋化合物更清洁的形式生长。

当Hossain和Hasan小组的研究生Yuxiao Jiang对砷样品打开STM时，他们得到了戏剧性的观察结果——灰砷，一种具有金属外观的砷，同时具有拓扑表面态和边缘态同时地。

“我们很惊讶。灰砷本来应该只有表面态。但是当我们检查原子阶梯边缘时，我们还发现了美丽的导电边缘模式，”侯赛因说。

该研究的共同第一作者 Jiang 补充道：“孤立的单层阶梯边缘不应具有无间隙边缘模式。”

英国伦敦帝国理工学院博士后兼凝聚态理论家弗兰克·辛德勒(Frank Schindler)和阿拉巴马州伯明翰阿拉巴马大学博士后研究员拉吉布尔·伊斯拉姆(Rajibul Islam)在计算中看到了这一点。两人都是该论文的共同第一作者。

辛德勒说：“一旦将边缘放置在大块样品的顶部，表面状态就会与边缘上的有间隙状态混合并形成无间隙状态。”

“这是我们第一次看到这样的杂交，”他补充道。

从物理上讲，阶跃边缘上的这种无间隙状态对于强或高阶拓扑绝缘体来说是不期望的，而仅适用于同时存在两种量子拓扑的混合材料。这种无间隙状态也分别不同于强拓扑绝缘体和高阶拓扑绝缘体中的表面状态或铰链状态。这意味着普林斯顿团队的实验观察立即表明了一种以前从未观察到的拓扑状态类型。

加州理工学院物理系主任谢大卫(David Hsieh)是一位未参与该研究的研究人员，他指出了该研究的创新结论。

“通常，我们认为材料的体能带结构属于几个不同的拓扑类别之一，每个拓扑类别都与特定类型的边界态相关，”Hsieh 说。 “这项工作表明，某些材料可以同时分为两类。最有趣的是，从这两种拓扑中出现的边界态可以相互作用并重建成新的量子态，而不仅仅是其各部分的叠加。”

研究人员通过系统的高分辨率角分辨光电子光谱进一步证实了扫描隧道显微镜测量。

“灰色的 As 样品非常干净，我们发现了拓扑表面态的清晰特征，”Hasan 小组的研究生、该论文的共同第一作者 Zi-Jia Cheng 说道，他进行了一些光电子发射测量。

多种实验技术的结合使研究人员能够探索与混合拓扑状态相关的独特的体表面边缘对应关系，并证实实验结果。

研究结果的意义

这一发现的影响是双重的。对组合拓扑边缘模式和表面态的观察为设计新的拓扑电子传输通道铺平了道路。这可能有助于设计新的量子信息科学或量子计算设备。

普林斯顿大学的研究人员证明，拓扑边缘模式仅存在于与晶体对称性兼容的特定几何配置中，这为设计各种形式的未来纳米器件和基于自旋的电子器件提供了一条途径。

哈桑说，从更广泛的角度来看，当新材料和新特性被发现时，社会就会受益。在量子材料中，将元素固体识别为材料平台，例如具有强拓扑的锑或具有高阶拓扑的铋，导致了新型材料的发展，使拓扑材料领域受益匪浅。

哈桑说：“我们设想，砷以其独特的拓扑结构，可以作为一个类似水平的新平台，用于开发目前无法通过现有平台访问的新型拓扑材料和量子器件。”

普林斯顿大学研究小组为探索拓扑绝缘体材料设计并建造了新颖的实验超过 15 年。例如，在 2005 年至 2007 年间，Hasan 领导的团队使用新颖的实验方法发现了三维铋锑块状固体(一种半导体合金)和相关拓扑狄拉克材料的拓扑顺序。

这导致了拓扑磁性材料的发现。 2014年至2015年间，他们发现并开发了一类新型拓扑材料，称为磁性外尔半金属。

研究人员相信，这一发现将为量子技术，特别是所谓的“绿色”技术的未来研究可能性和应用打开大门。

哈桑说：“我们的研究在展示拓扑材料在量子电子学和节能应用方面的潜力方面向前迈出了一步。”