美國(guó)科學(xué)家在研究一種鉍基拓?fù)洳牧蠒r(shí)，首次在室溫下觀察到了拓?fù)浣^緣體內(nèi)的獨(dú)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?fù)浣^緣體是一種特殊的材料，內(nèi)部的電子不能自由移動(dòng)，因此不導(dǎo)電，是絕緣體，但邊緣的電子可以自由移動(dòng)，這意味著這些電子可導(dǎo)電。此外由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，沿邊緣流動(dòng)的電子不會(huì)受到缺陷或變形的阻礙，因此這種材料不僅有可能改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，還能通過(guò)探測(cè)量子電子特性，加深人們對(duì)物質(zhì)本身的理解。
但迄今科學(xué)家們一直很難用這些材料制造功能器件，因?yàn)檩^高的溫度會(huì)產(chǎn)生“熱噪音”。溫度升高，原子劇烈振動(dòng)，從而破壞精細(xì)的量子系統(tǒng)，使量子態(tài)崩潰。特別是在拓?fù)浣^緣體內(nèi)，較高溫度會(huì)造成絕緣體表面的電子侵入絕緣體內(nèi)部，導(dǎo)致那里的電子開(kāi)始傳導(dǎo)，從而稀釋或破壞特殊的量子效應(yīng)。解決方法是將這些實(shí)驗(yàn)置于絕對(duì)零度(零下237.15攝氏度)附近，但創(chuàng)建和維護(hù)超低溫環(huán)境成本高且會(huì)消耗大量能量。
在最新研究中，普林斯頓大學(xué)扎希德·哈桑等人制造出了一種由溴化鉍制成的新型拓?fù)浣^緣體，這是一種無(wú)機(jī)晶體化合物，有時(shí)用于水處理和化學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)，這一拓?fù)浣^緣體的絕緣帶隙超過(guò)200毫電子伏，足以克服“熱噪音”，也不會(huì)破壞自旋軌道耦合效應(yīng)和帶反轉(zhuǎn)拓?fù)洹．?dāng)通過(guò)亞原子分辨率掃描隧道顯微鏡觀察時(shí)，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?fù)湎到y(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(kāi)發(fā)。未來(lái)他們計(jì)劃確定能否在室溫下在其他拓?fù)洳牧蟽?nèi)發(fā)現(xiàn)同樣的量子效應(yīng)，也希望在更高溫度下開(kāi)展此類(lèi)實(shí)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞： 量子材料 拓?fù)浣^緣體 奇異量子效應(yīng) 綠色量子材料
