10月28日消息（南山）近日，普林斯頓大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，一種鉍基拓撲絕緣體材料表現(xiàn)出特殊的量子行為，這通常只在極端的實驗條件下，即高壓和接近絕對零度的溫度下才能看到。這一發(fā)現(xiàn)為高效量子技術的發(fā)展開辟了一個新的領域，例如基于自旋的高能效電子器件。
這一發(fā)現(xiàn)登上了《自然·材料》雜志的10月封面文章。
拓撲絕緣體是一種特殊的材料，內(nèi)部的電子不能自由移動，因此不導電，是絕緣體，但邊緣的電子可以自由移動，這意味著這些電子可導電。此外由于拓撲結構，沿邊緣流動的電子不會受到缺陷或變形的阻礙，因此這種材料不僅有可能改進現(xiàn)有技術，還能通過探測量子電子特性，加深人們對物質本身的理解。
據(jù)了解，十多年來，科學家們一直用拓撲絕緣體來證明量子效應，但這項實驗是首次在室溫下觀察到這些效應。通常，誘導和觀察拓撲絕緣體中的量子態(tài)需要絕對零度左右的溫度，這相當于零下459華氏度（或-273攝氏度）。
環(huán)境溫度或高溫會產(chǎn)生物理學家所說的“熱噪聲”，熱噪聲的定義是溫度升高，原子開始劇烈振動。這種行為可以破壞脆弱的量子系統(tǒng)，從而使量子態(tài)崩潰。特別是在拓撲絕緣體中，這些更高的溫度造成絕緣體表面上的電子侵入絕緣體的內(nèi)部，并導致那里的電子也開始導電，從而稀釋或破壞特殊的量子效應。
解決這一問題的方法是將這些實驗置于異常寒冷的溫度下，通常在絕對零度或接近絕對零度。在這些難以置信的低溫下，原子和亞原子粒子停止振動，因此更容易操縱。然而，對于許多應用來說，創(chuàng)建和維護超冷環(huán)境是不切實際的：它成本高，體積大，消耗大量能源。
領導這項研究的普林斯頓大學物理教授扎希德·哈桑團隊制造出了一種由溴化鉍制成的新型拓撲絕緣體，這是一種無機晶體化合物，有時用于水處理和化學分析。研究發(fā)現(xiàn)，這一拓撲絕緣體的絕緣帶隙超過200毫電子伏，足以克服“熱噪音”，也不會破壞自旋軌道耦合效應和帶反轉拓撲。當通過亞原子分辨率掃描隧道顯微鏡觀察時，研究人員觀察到清晰的量子自旋霍爾邊緣態(tài)，這是只在拓撲系統(tǒng)內(nèi)存在的重要量子特性之一。
扎希德·哈桑團隊認為，這一突破將是對下一代量子技術產(chǎn)生特別影響的一個研究領域。研究人員相信，這一新突破將加速開發(fā)更高效、更環(huán)保的量子材料。
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