普林斯頓大學(xué)科學(xué)家在室溫下發(fā)現(xiàn)了奇異的量子態(tài)

10月28日消息（南山）近日，普林斯頓大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，一種鉍基拓?fù)浣^緣體材料表現(xiàn)出特殊的量子行為，這通常只在極端的實(shí)驗(yàn)條件下，即高壓和接近絕對(duì)零度的溫度下才能看到。這一發(fā)現(xiàn)為高效量子技術(shù)的發(fā)展開辟了一個(gè)新的領(lǐng)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?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。

據(jù)了解，十多年來(lái)，科學(xué)家們一直用拓?fù)浣^緣體來(lái)證明量子效應(yīng)，但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是首次在室溫下觀察到這些效應(yīng)。通常，誘導(dǎo)和觀察拓?fù)浣^緣體中的量子態(tài)需要絕對(duì)零度左右的溫度，這相當(dāng)于零下459華氏度（或-273攝氏度）。

環(huán)境溫度或高溫會(huì)產(chǎn)生物理學(xué)家所說(shuō)的“熱噪聲”，熱噪聲的定義是溫度升高，原子開始劇烈振動(dòng)。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?fù)浣^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(dǎo)致那里的電子也開始導(dǎo)電，從而稀釋或破壞特殊的量子效應(yīng)。

解決這一問(wèn)題的方法是將這些實(shí)驗(yàn)置于異常寒冷的溫度下，通常在絕對(duì)零度或接近絕對(duì)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(dòng)，因此更容易操縱。然而，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，創(chuàng)建和維護(hù)超冷環(huán)境是不切實(shí)際的：它成本高，體積大，消耗大量能源。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的普林斯頓大學(xué)物理教授扎希德·哈桑團(tuán)隊(duì)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)?。?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。

扎希德·哈桑團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一突破將是對(duì)下一代量子技術(shù)產(chǎn)生特別影響的一個(gè)研究領(lǐng)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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