實體學家在元素固體中發現了一種新的量子态

使用普林斯頓大學實體系的掃描隧道顯微鏡獲得的灰色砷晶體表面和邊緣電子量子态的資料可視化表示。圖檔來源：圖像基于普林斯頓大學拓撲量子物質實驗室的 Shafayat Hossain 和 Zahid Hasan 小組準備的 STM 資料模拟。

實體學家在晶體材料中觀察到一種稱為“混合拓撲”的新量子效應。這一發現為下一代量子科學和工程開發高效材料和技術開辟了一系列新的可能性。

這一發現發表在《自然》雜志上，當時普林斯頓大學的科學家發現，一種由砷（As）原子組成的元素固體晶體具有一種前所未有的拓撲量子行為形式。他們能夠使用掃描隧道顯微鏡（STM）和光發射光譜法來探索和成像這種新的量子态，後者是一種用于确定分子和原子中電子相對能量的技術。

這種狀态結合或“混合”了兩種形式的拓撲量子行為——邊緣态和表面态，它們是兩種類型的量子二維電子系統。這些在以前的實驗中已經觀察到，但從未在同一材料中同時混合形成新的物質狀态。

“這一發現完全出乎意料，”上司這項研究的普林斯頓大學尤金·希金斯實體學教授M·紮希德·哈桑（M. Zahid Hasan）說。“在它被觀測到之前，沒有人在理論上預測到它。

近年來，物質拓撲态的研究引起了實體學家和工程師的極大關注，目前是國際上許多關注和研究的焦點。該研究領域将量子實體學與拓撲學相結合，拓撲學是理論數學的一個分支，探索可以變形但本質上不會改變的幾何特性。

十多年來，科學家們一直使用基于铋（Bi）的拓撲絕緣體來示範和探索散裝固體中的奇異量子效應，主要是通過制造複合材料，例如将Bi與硒（Se）混合。然而，這個實驗是第一次在由元素As組成的晶體中發現拓撲效應。

“無論是從基礎實體學的角度來看，還是從下一代量子科學和工程的角度來看，尋找和發現物質的新拓撲特性已成為現代實體學中最受歡迎的寶藏之一，”哈桑說。“在元素固體中發現這種新的拓撲狀态是由我們在普林斯頓實驗室的多項創新實驗進展和儀器實作的。

元素固體是測試各種拓撲概念的寶貴實驗平台。到目前為止，铋是唯一具有豐富拓撲結構的元素，導緻了二十年的深入研究活動。這在一定程度上歸因于材料的清潔度和易于合成。然而，目前在砷中發現的更豐富的拓撲現象可能會為新的和持續的研究方向鋪平道路。

“我們首次證明，與不同的相關現象類似，不同的拓撲順序也可以互相作用并産生新的和有趣的量子現象，”哈桑說。

拓撲材料是用于研究量子拓撲奧秘的主要組成部分。該裝置在其内部充當絕緣體，這意味着内部的電子不能自由移動，是以不導電。

然而，器件邊緣的電子可以自由移動，這意味着它們是導電的。此外，由于拓撲的特殊性質，沿邊緣流動的電子不會受到任何缺陷或變形的阻礙。這種類型的裝置不僅有可能改進技術，而且可以通過探測量子電子特性來更好地了解物質本身。

Hasan指出，人們非常有興趣将拓撲材料用于實際應用。但是，在實作這一目标之前，需要取得兩項重要進展。首先，量子拓撲效應必須在較高溫度下表現出來。其次，需要找到可以承載拓撲現象的簡單元素材料系統（如傳統電子學的矽）。

“在我們的實驗室中，我們在兩個方向上都有努力——我們正在尋找更簡單的材料系統，易于制造，可以找到基本的拓撲效應，”Hasan說。“我們也在尋找如何使這些影響在室溫下生存。

實驗背景

這一發現的根源在于量子霍爾效應的運作，這是一種拓撲效應，是1985年諾貝爾實體學獎的主題。從那時起，人們研究了拓撲相，并發現了許多具有拓撲電子結構的新型量子材料。最值得一提的是，普林斯頓大學亞瑟·羅格朗·多蒂電氣工程名譽教授丹尼爾·崔（Daniel Tsui）因發現分數量子霍爾效應而獲得1998年諾貝爾實體學獎。

同樣，普林斯頓大學尤金·希金斯實體學教授F·鄧肯·霍爾丹（F. Duncan Haldane）因拓撲相變和一種二維（2D）拓撲絕緣體的理論發現而獲得2016年諾貝爾實體學獎。随後的理論發展表明，拓撲絕緣體可以基于電子的自旋軌道互相作用，采用霍爾丹模型的兩個副本的形式。

Hasan和他的研究團隊一直在追随這些研究人員的腳步，研究拓撲絕緣體的其他方面，并尋找新的物質狀态。這導緻他們在 2007 年發現了三維 （3D） 拓撲絕緣體的第一個例子。從那時起，哈桑和他的團隊一直在尋找一種最簡單的新拓撲狀态，這種拓撲狀态也可以在室溫下運作。

“合适的原子化學和結構設計與第一性原理理論相結合，是使拓撲絕緣體的推測預測在高溫環境中成為現實的關鍵一步，”哈桑說。

“有數百種量子材料，我們需要直覺、經驗、特定于材料的計算和密集的實驗努力，才能最終找到适合深入探索的材料。這讓我們踏上了長達十年的旅程，研究了許多铋基材料，進而取得了許多基礎性發現。

實驗

至少在原則上，铋基材料能夠在高溫下保持物質的拓撲狀态。然而，這些需要在超高真空條件下進行複雜的材料制備，是以研究人員決定探索其他幾種系統。博士後研究員沙法亞特·侯賽因（Shafayat Hossain）博士建議使用一種由砷制成的晶體，因為它可以以比許多铋化合物更清潔的形式生長。

當侯賽因和哈桑小組的研究所學生江玉曉将STM對砷樣品進行轉動時，他們看到了一個戲劇性的觀察結果 - 灰色砷是一種具有金屬外觀的砷，同時具有拓撲表面狀态和邊緣狀态。

“我們很驚訝。灰砷應該隻有表面狀态。但是當我們檢查原子階躍邊緣時，我們也發現了漂亮的導電邊緣模式，“侯賽因說。

“孤立的單層階梯邊緣不應該具有無間隙邊緣模式，”該研究的共同第一作者江補充道。

這是英國倫敦帝國理工學院博士後研究員兼凝聚态理論家弗蘭克·辛德勒（Frank Schindler）和阿拉巴馬州伯明翰阿拉巴馬大學博士後研究員拉吉布爾·伊斯蘭（Rajibul Islam）的計算結果。兩人都是該論文的共同第一作者。

“一旦邊緣被放置在散裝樣品的頂部，表面狀态就會與邊緣上的間隙狀态雜交并形成無間隙狀态，”Schindler說。

“這是我們第一次看到這樣的雜交，”他補充道。

從實體上講，對于強拓撲絕緣體或高階拓撲絕緣體，階梯邊緣上的這種無間隙狀态是不可預期的，而僅适用于同時存在兩種量子拓撲結構的混合材料。這種無間隙狀态也分别不同于強和高階拓撲絕緣體中的表面或鉸鍊狀态。這意味着普林斯頓團隊的實驗觀察立即表明了一種從未觀察到的拓撲狀态。

加州理工學院實體系主任、未參與這項研究的研究員David Hsieh指出了該研究的創新結論。

“通常，我們認為材料的體帶結構屬于幾種不同的拓撲類别之一，每個拓撲類别都與特定類型的邊界狀态相關聯，”Hsieh說。“這項工作表明，某些材料可以同時分為兩類。最有趣的是，從這兩種拓撲結構中出現的邊界态可以互相作用并重建為一種新的量子态，而不僅僅是其各部分的疊加。

研究人員進一步證明了掃描隧道顯微鏡測量與系統的高分辨率角度分辨光發射光譜。

“灰色的As樣品非常幹淨，我們發現了拓撲表面狀态的清晰特征，”Hasan小組的研究所學生Zi-Jia Cheng說，他是該論文的共同第一作者，他進行了一些光發射測量。

多種實驗技術的結合使研究人員能夠探測與混合拓撲狀态相關的獨特體面-邊緣對應關系，并證明了實驗結果。

研究結果的意義

這一發現的影響是雙重的。對組合拓撲邊緣模式和表面狀态的觀察為設計新的拓撲電子傳輸通道鋪平了道路。這可能使新的量子資訊科學或量子計算裝置的設計成為可能。

普林斯頓大學的研究人員證明，拓撲邊緣模式僅存在于與晶體對稱性相容的特定幾何構型上，進而為設計各種形式的未來納米器件和基于自旋的電子學提供了途徑。

哈桑說，從更廣泛的角度來看，當發現新材料和特性時，社會就會受益。在量子材料中，将元素固體識别為材料平台，例如具有強拓撲結構的銻或具有高階拓撲結構的铋，導緻了新型材料的發展，這些材料極大地造福了拓撲材料領域。

“我們設想，具有獨特拓撲結構的砷可以作為類似水準的新平台，用于開發目前無法通過現有平台獲得的新型拓撲材料和量子器件，”Hasan說。

普林斯頓大學團隊為拓撲絕緣體材料的探索設計和建造了超過15年的新型實驗。例如，在2005年至2007年間，Hasan上司的團隊使用新的實驗方法發現了三維铋銻塊體固體，半導體合金以及相關拓撲狄拉克材料的拓撲順序。

這導緻了拓撲磁性材料的發現。在2014年至2015年期間，他們發現并開發了一類稱為磁性外爾半金屬的新型拓撲材料。

研究人員認為，這一發現将為量子技術的未來研究可能性和應用打開大門，特别是在所謂的“綠色”技術中。

“我們的研究在證明拓撲材料在量子電子學中的節能應用潛力方面向前邁出了一步，”Hasan說。

更多資訊：M. Zahid Hasan，元素固體中的混合拓撲量子态，Nature （2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07203-8.www.nature.com/articles/s41586-024-07203-8

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