美國科學家在研究一種鉍基拓撲材料時，首次在室溫下觀察到了拓撲絕緣體內(nèi)的獨特量子效應(yīng)，有望為下一代量子技術(shù)，如能效更高的自旋電子技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，也將加速更高效且更“綠色”量子材料的研發(fā)。

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(jié)構(gòu)，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(shù)，還能通過探測量子電子特性，加深人們對物質(zhì)本身的理解。

但迄今科學家們一直很難用這些材料制造功能器件，因為較高的溫度會產(chǎn)生“熱噪音”。溫度升高，原子劇烈振動，從而破壞精細的量子系統(tǒng)，使量子態(tài)崩潰。特別是在拓撲絕緣體內(nèi)，較高溫度會造成絕緣體表面的電子侵入絕緣體內(nèi)部，導致那里的電子開始傳導，從而稀釋或破壞特殊的量子效應(yīng)。解決方法是將這些實驗置于絕對零度(零下237.15攝氏度)附近，但創(chuàng)建和維護超低溫環(huán)境成本高且會消耗大量能量。

在最新研究中，普林斯頓大學扎希德·哈桑等人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(yīng)和帶反轉(zhuǎn)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。

研究人員相信，這一突破將為下一代量子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，也將加速更優(yōu)異量子材料的開發(fā)。未來他們計劃確定能否在室溫下在其他拓撲材料內(nèi)發(fā)現(xiàn)同樣的量子效應(yīng)，也希望在更高溫度下開展此類實驗。

關(guān)鍵詞： 量子材料 拓撲絕緣體 奇異量子效應(yīng) 綠色量子材料