普林斯顿大学科学家在室温下发现了奇异的量子态

C114讯 10月28日消息（南山）近日，普林斯顿大学的研究人员发现，一种铋基拓扑绝缘体材料表现出特殊的量子行为，这通常只在极端的实验条件下，即高压和接近绝对零度的温度下才能看到。这一发现为高效量子技术的发展开辟了一个新的领域，例如基于自旋的高能效电子器件。

这一发现登上了《自然·材料》杂志的10月封面文章。

拓扑绝缘体是一种特殊的材料，内部的电子不能自由移动，因此不导电，是绝缘体，但边缘的电子可以自由移动，这意味着这些电子可导电。此外由于拓扑结构，沿边缘流动的电子不会受到缺陷或变形的阻碍，因此这种材料不仅有可能改进现有技术，还能通过探测量子电子特性，加深人们对物质本身的理解。

据了解，十多年来，科学家们一直用拓扑绝缘体来证明量子效应，但这项实验是首次在室温下观察到这些效应。通常，诱导和观察拓扑绝缘体中的量子态需要绝对零度左右的温度，这相当于零下459华氏度（或-273摄氏度）。

环境温度或高温会产生物理学家所说的“热噪声”，热噪声的定义是温度升高，原子开始剧烈振动。这种行为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，这些更高的温度造成绝缘体表面上的电子侵入绝缘体的内部，并导致那里的电子也开始导电，从而稀释或破坏特殊的量子效应。

解决这一问题的方法是将这些实验置于异常寒冷的温度下，通常在绝对零度或接近绝对零度。在这些难以置信的低温下，原子和亚原子粒子停止振动，因此更容易操纵。然而，对于许多应用来说，创建和维护超冷环境是不切实际的：它成本高，体积大，消耗大量能源。

领导这项研究的普林斯顿大学物理教授扎希德·哈桑团队制造出了一种由溴化铋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。研究发现，这一拓扑绝缘体的绝缘带隙超过200毫电子伏，足以克服“热噪音”，也不会破坏自旋轨道耦合效应和带反转拓扑。当通过亚原子分辨率扫描隧道显微镜观察时，研究人员观察到清晰的量子自旋霍尔边缘态，这是只在拓扑系统内存在的重要量子特性之一。

扎希德·哈桑团队认为，这一突破将是对下一代量子技术产生特别影响的一个研究领域。研究人员相信，这一新突破将加速开发更高效、更环保的量子材料。