科学家在室温下发现了奇异的量子态

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。这一发现为高效量子技术的发展开辟了一系列新的可能性，比如基于自旋的电子技术，它可能会取代许多现有的电子系统，以获得更高的能源效率。

当普林斯顿大学的科学家们探索出一种基于元素铋的拓扑材料时，这一突破作为《自然材料》10月刊的封面文章发表了出来。

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，但这次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度附近的温度，也就是零下459华氏度(或零下273摄氏度)。

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，是目前国际上兴趣和研究的焦点。这一研究领域结合了量子物理学和拓扑学，拓扑学是理论数学的一个分支，研究可以变形但本质上不会改变的几何性质。

“无论是从基础物理学的角度，还是从寻找下一代量子工程和纳米技术的潜在应用方面，物质的新颖拓扑特性已经成为现代物理学中最受追捧的宝藏之一，”普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授m·扎希德·哈桑(M. Zahid Hasan)说，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。”

用于研究量子拓扑奥秘的主要器件称为拓扑绝缘体。这是一种独特的装置，它在内部充当绝缘体，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，由于拓扑结构的特殊性质，沿边缘流动的电子不受任何缺陷或变形的阻碍。这个装置不仅有改进技术的潜力，而且还可以通过探测量子电子特性来加深对物质本身的理解。

然而，到目前为止，在将材料和器件应用于功能性器件的探索中一直存在一个主要的障碍。“人们对拓扑材料有很多兴趣，人们经常谈论它们在实际应用方面的巨大潜力，”Hasan说，“但在一些宏观量子拓扑效应能够在室温下表现出来之前，这些应用很可能仍然无法实现。”

为什么温度问题

环境温度或高温会产生物理学家所说的“热噪声”，它被定义为温度上升导致原子开始剧烈振动。这种作用可以破坏脆弱的量子系统，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的电子侵入绝缘体内部或“体”的情况，并导致那里的电子也开始导电，从而稀释或打破特殊的量子效应。

解决这个问题的方法是将这些实验置于异常寒冷的温度下，通常是在绝对零度或接近绝对零度的温度。在这种极低的温度下，原子和亚原子粒子停止振动，因此更容易操纵。然而，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;它价格昂贵，体积庞大，消耗大量能源。

但哈桑和他的团队开发了一种创新的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，他们制作了一种由溴化铋(化学式为α-Bi4Br4)制成的新型拓扑绝缘体，这是一种无机晶体化合物，有时用于水处理和化学分析。

“我们在没有巨大压力或超高磁场的情况下发现了它们，这真是太棒了，因此使材料更容易用于开发下一代量子技术，”2022届博士毕业生、电气与计算机工程博士后助理研究员Nana Shumiya说，她是该论文的三位共同第一作者之一。

“我相信我们的发现将显著推进量子前沿，”她说。

在获得诺贝尔奖的基础上

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，也是1985年诺贝尔物理学奖的主题。从那时起，人们对拓扑相进行了深入的研究。许多具有拓扑电子结构的新量子材料已经被发现，包括拓扑绝缘体、拓扑超导体、拓扑磁体和Weyl半金属。

实验和理论发现都在继续。Daniel Tsui, Arthur Legrand Doty电气工程教授，因发现分数量子霍尔效应而获得1998年诺贝尔物理学奖，F. Duncan Haldane，普林斯顿谢曼费尔Fairchild大学物理学教授，因在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，基于电子的自旋-轨道相互作用，拓扑绝缘体可以采用霍尔丹模型的两个副本的形式。

Hasan和他的团队在2007年首次发现三维拓扑绝缘体的例子后，对一种也能在室温下工作的拓扑量子态进行了长达十年的研究。最近，他们在一种能够在室温下工作的kagome晶格磁铁中找到了霍尔丹猜想的材料解决方案，这种磁铁也表现出了所需的量化。

“kagome晶格拓扑绝缘体可以设计成具有相对论性带交叉和强电子-电子相互作用。这两者对于新磁性都是必不可少的。”哈桑说。“因此，我们意识到kagome磁铁是一个很有前途的系统，可以在其中搜索拓扑磁铁相，因为它们就像我们在10多年前发现和研究的拓扑绝缘体。

Hasan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预测在高温环境下实现的关键步骤。”“有数百种拓扑材料，我们需要直觉、经验、特定材料的计算和大量的实验努力，才能最终找到适合进行深入探索的材料。这让我们花了10年的时间来研究许多铋基材料。”

注意(带)隙

绝缘体，像半导体一样，有所谓的绝缘间隙，或带隙。这些本质上是轨道电子之间的屏障，是电子无法到达的无人区。这些带隙非常重要，因为除其他外，它们提供了克服热噪声对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——这是电子自旋和绕核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张帆和姚玉贵的提议，Hasan和他的团队研究了溴化铋材料家族。但是研究小组无法在这些材料中观察到Weyl现象。Hasan和他的团队发现，与他们之前研究的基于铋-锑的拓扑绝缘体(Bi-Sb合金)相比，溴化铋绝缘体具有更理想的性能。它有超过200 meV(毫电子伏)的大绝缘间隙。这足以克服热噪声，但又足够小，不会破坏自旋-轨道耦合效应和带反转拓扑。

“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，”Hasan说。“我们发现有一个‘甜蜜点’，在那里你可以有相对较大的自旋-轨道耦合，创造一个拓扑扭曲，同时提高带隙，而不破坏它。这有点像铋基材料的平衡点，我们已经研究了很长时间。”

当研究人员通过亚原子分辨率扫描隧道显微镜观察实验过程时，他们知道他们已经达到了目标。这种独特的设备使用了一种被称为“量子隧道”的特性，电子在显微镜锋利的金属单原子尖端和样品之间形成漏斗。显微镜利用这种隧穿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态，这是拓扑系统中唯一存在的重要性质之一。这需要额外的新仪器来唯一隔离拓扑效应。

Hasan说:“我们第一次证明了有一类铋基拓扑材料，其拓扑结构可以在室温下存活。”“我们对我们的结果非常有信心。”

量子材料的意义

这一发现是多年来来之不易的实验工作和所需的新仪器的结晶。Hasan是实验量子拓扑材料领域的领先研究人员，拥有超过15年的新颖实验方法，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，他和他的团队使用新的实验方法发现了三维铋锑体固体、半导体合金和相关拓扑狄拉克材料中的拓扑秩序。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，称为磁性韦尔半金属。

研究人员认为，这一突破将为量子技术的未来研究和应用打开一扇门。

哈桑实验室的博士后助理研究员、该研究的另一位共同第一作者Shafayat Hossain说:“我们相信这一发现可能是纳米技术未来发展的起点。”“在拓扑技术中有太多的可能性在等待着我们，而找到合适的材料和新的仪器是实现这一目标的关键之一。”

哈桑和他的团队认为，这一突破将对下一代量子技术产生特别影响的一个研究领域是。研究人员认为，这一新的突破将加快更高效、更“绿色”量子材料的发展。

哈桑说，目前，该小组的理论和实验重点集中在两个方向。首先，研究人员想要确定哪些其他拓扑材料可以在室温下工作，重要的是，为其他科学家提供工具和新的仪器方法，以确定在室温和高温下工作的材料。其次，研究人员希望继续深入量子世界，因为这一发现使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。哈桑说:“我看到了一个巨大的机会，可以用我们的新仪器进一步深入探索奇异而复杂的量子现象，追踪宏观量子态中更精细的细节。”“谁知道我们会发现什么?”

他补充说:“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。通过这个实验，我们所做的就是播下一颗种子，鼓励其他科学家和工程师有更大的梦想。”

该团队包括来自普林斯顿物理系的众多研究人员，包括现在和过去的研究生Nana Shumiya, Maksim Litskevich, Yu-Xiao Jiang, Zi-Jia Cheng, Tyler Cochran和Daniel Multer，以及现在和过去的博士后研究助理Shafayat Hossain, Yin Jia-Xin和Zhang Qi。

论文《高阶拓扑绝缘体中室温量子自旋霍尔边缘态的证据》作者:Nana Shumiya, Md Shafayat Hossain，尹佳鑫，王志伟，Maksim Litskevich, Chiho Yoon，李永凯，杨颖，蒋宇潇，程光明，林延川，张琦，程子佳，Tyler A. Cochran, Daniel Multer, Yang Xian P.， Brian Casas, tayong – rong Chang, Titus Neupert，袁祝君，贾双，林欣，姚楠，Luis Balicas，张帆，姚玉贵和M. Zahid Hasan于7月14日在线发表于《自然材料》(DOI: 10.1038/s41563-022-01304-3)。普林斯顿大学的这项工作得到了美国能源部基础能源科学部(de – fr -02- 05er462000)和戈登和贝蒂摩尔基金会的量子系统涌现现象计划(GBMF4547)的支持。这篇论文发表在《自然材料》10月刊的封面图片故事上。

文章旨在传播新闻信息，原文请查看https://www.princeton.edu/news/2022/11/07/scientists-discover-exotic-quantum-state-room-temperature