物理学家在元素固体中发现了一种新的量子态

使用普林斯顿大学物理系的扫描隧道显微镜获得的灰色砷晶体表面和边缘电子量子态的数据可视化表示。图片来源：图像基于普林斯顿大学拓扑量子物质实验室的 Shafayat Hossain 和 Zahid Hasan 小组准备的 STM 数据模拟。

物理学家在晶体材料中观察到一种称为“混合拓扑”的新量子效应。这一发现为下一代量子科学和工程开发高效材料和技术开辟了一系列新的可能性。

这一发现发表在《自然》杂志上，当时普林斯顿大学的科学家发现，一种由砷（As）原子组成的元素固体晶体具有一种前所未有的拓扑量子行为形式。他们能够使用扫描隧道显微镜（STM）和光发射光谱法来探索和成像这种新的量子态，后者是一种用于确定分子和原子中电子相对能量的技术。

这种状态结合或“混合”了两种形式的拓扑量子行为——边缘态和表面态，它们是两种类型的量子二维电子系统。这些在以前的实验中已经观察到，但从未在同一材料中同时混合形成新的物质状态。

“这一发现完全出乎意料，”领导这项研究的普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授M·扎希德·哈桑（M. Zahid Hasan）说。“在它被观测到之前，没有人在理论上预测到它。

近年来，物质拓扑态的研究引起了物理学家和工程师的极大关注，目前是国际上许多关注和研究的焦点。该研究领域将量子物理学与拓扑学相结合，拓扑学是理论数学的一个分支，探索可以变形但本质上不会改变的几何特性。

十多年来，科学家们一直使用基于铋（Bi）的拓扑绝缘体来演示和探索散装固体中的奇异量子效应，主要是通过制造复合材料，例如将Bi与硒（Se）混合。然而，这个实验是第一次在由元素As组成的晶体中发现拓扑效应。

“无论是从基础物理学的角度来看，还是从下一代量子科学和工程的角度来看，寻找和发现物质的新拓扑特性已成为现代物理学中最受欢迎的宝藏之一，”哈桑说。“在元素固体中发现这种新的拓扑状态是由我们在普林斯顿实验室的多项创新实验进展和仪器实现的。

元素固体是测试各种拓扑概念的宝贵实验平台。到目前为止，铋是唯一具有丰富拓扑结构的元素，导致了二十年的深入研究活动。这在一定程度上归因于材料的清洁度和易于合成。然而，目前在砷中发现的更丰富的拓扑现象可能会为新的和持续的研究方向铺平道路。

“我们首次证明，与不同的相关现象类似，不同的拓扑顺序也可以相互作用并产生新的和有趣的量子现象，”哈桑说。

拓扑材料是用于研究量子拓扑奥秘的主要组成部分。该装置在其内部充当绝缘体，这意味着内部的电子不能自由移动，因此不导电。

然而，器件边缘的电子可以自由移动，这意味着它们是导电的。此外，由于拓扑的特殊性质，沿边缘流动的电子不会受到任何缺陷或变形的阻碍。这种类型的设备不仅有可能改进技术，而且可以通过探测量子电子特性来更好地了解物质本身。

Hasan指出，人们非常有兴趣将拓扑材料用于实际应用。但是，在实现这一目标之前，需要取得两项重要进展。首先，量子拓扑效应必须在较高温度下表现出来。其次，需要找到可以承载拓扑现象的简单元素材料系统（如传统电子学的硅）。

“在我们的实验室中，我们在两个方向上都有努力——我们正在寻找更简单的材料系统，易于制造，可以找到基本的拓扑效应，”Hasan说。“我们也在寻找如何使这些影响在室温下生存。

实验背景

这一发现的根源在于量子霍尔效应的运作，这是一种拓扑效应，是1985年诺贝尔物理学奖的主题。从那时起，人们研究了拓扑相，并发现了许多具有拓扑电子结构的新型量子材料。最值得一提的是，普林斯顿大学亚瑟·罗格朗·多蒂电气工程名誉教授丹尼尔·崔（Daniel Tsui）因发现分数量子霍尔效应而获得1998年诺贝尔物理学奖。

同样，普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授F·邓肯·霍尔丹（F. Duncan Haldane）因拓扑相变和一种二维（2D）拓扑绝缘体的理论发现而获得2016年诺贝尔物理学奖。随后的理论发展表明，拓扑绝缘体可以基于电子的自旋轨道相互作用，采用霍尔丹模型的两个副本的形式。

Hasan和他的研究团队一直在追随这些研究人员的脚步，研究拓扑绝缘体的其他方面，并寻找新的物质状态。这导致他们在 2007 年发现了三维 （3D） 拓扑绝缘体的第一个例子。从那时起，哈桑和他的团队一直在寻找一种最简单的新拓扑状态，这种拓扑状态也可以在室温下运行。

“合适的原子化学和结构设计与第一性原理理论相结合，是使拓扑绝缘体的推测预测在高温环境中成为现实的关键一步，”哈桑说。

“有数百种量子材料，我们需要直觉、经验、特定于材料的计算和密集的实验努力，才能最终找到适合深入探索的材料。这让我们踏上了长达十年的旅程，研究了许多铋基材料，从而取得了许多基础性发现。

实验

至少在原则上，铋基材料能够在高温下保持物质的拓扑状态。然而，这些需要在超高真空条件下进行复杂的材料制备，因此研究人员决定探索其他几种系统。博士后研究员沙法亚特·侯赛因（Shafayat Hossain）博士建议使用一种由砷制成的晶体，因为它可以以比许多铋化合物更清洁的形式生长。

当侯赛因和哈桑小组的研究生江玉晓将STM对砷样品进行转动时，他们看到了一个戏剧性的观察结果 - 灰色砷是一种具有金属外观的砷，同时具有拓扑表面状态和边缘状态。

“我们很惊讶。灰砷应该只有表面状态。但是当我们检查原子阶跃边缘时，我们也发现了漂亮的导电边缘模式，“侯赛因说。

“孤立的单层阶梯边缘不应该具有无间隙边缘模式，”该研究的共同第一作者江补充道。

这是英国伦敦帝国理工学院博士后研究员兼凝聚态理论家弗兰克·辛德勒（Frank Schindler）和阿拉巴马州伯明翰阿拉巴马大学博士后研究员拉吉布尔·伊斯兰（Rajibul Islam）的计算结果。两人都是该论文的共同第一作者。

“一旦边缘被放置在散装样品的顶部，表面状态就会与边缘上的间隙状态杂交并形成无间隙状态，”Schindler说。

“这是我们第一次看到这样的杂交，”他补充道。

从物理上讲，对于强拓扑绝缘体或高阶拓扑绝缘体，阶梯边缘上的这种无间隙状态是不可预期的，而仅适用于同时存在两种量子拓扑结构的混合材料。这种无间隙状态也分别不同于强和高阶拓扑绝缘体中的表面或铰链状态。这意味着普林斯顿团队的实验观察立即表明了一种从未观察到的拓扑状态。

加州理工学院物理系主任、未参与这项研究的研究员David Hsieh指出了该研究的创新结论。

“通常，我们认为材料的体带结构属于几种不同的拓扑类别之一，每个拓扑类别都与特定类型的边界状态相关联，”Hsieh说。“这项工作表明，某些材料可以同时分为两类。最有趣的是，从这两种拓扑结构中出现的边界态可以相互作用并重建为一种新的量子态，而不仅仅是其各部分的叠加。

研究人员进一步证实了扫描隧道显微镜测量与系统的高分辨率角度分辨光发射光谱。

“灰色的As样品非常干净，我们发现了拓扑表面状态的清晰特征，”Hasan小组的研究生Zi-Jia Cheng说，他是该论文的共同第一作者，他进行了一些光发射测量。

多种实验技术的结合使研究人员能够探测与混合拓扑状态相关的独特体面-边缘对应关系，并证实了实验结果。

研究结果的意义

这一发现的影响是双重的。对组合拓扑边缘模式和表面状态的观察为设计新的拓扑电子传输通道铺平了道路。这可能使新的量子信息科学或量子计算设备的设计成为可能。

普林斯顿大学的研究人员证明，拓扑边缘模式仅存在于与晶体对称性相容的特定几何构型上，从而为设计各种形式的未来纳米器件和基于自旋的电子学提供了途径。

哈桑说，从更广泛的角度来看，当发现新材料和特性时，社会就会受益。在量子材料中，将元素固体识别为材料平台，例如具有强拓扑结构的锑或具有高阶拓扑结构的铋，导致了新型材料的发展，这些材料极大地造福了拓扑材料领域。

“我们设想，具有独特拓扑结构的砷可以作为类似水平的新平台，用于开发目前无法通过现有平台获得的新型拓扑材料和量子器件，”Hasan说。

普林斯顿大学团队为拓扑绝缘体材料的探索设计和建造了超过15年的新型实验。例如，在2005年至2007年间，Hasan领导的团队使用新的实验方法发现了三维铋锑块体固体，半导体合金以及相关拓扑狄拉克材料的拓扑顺序。

这导致了拓扑磁性材料的发现。在2014年至2015年期间，他们发现并开发了一类称为磁性外尔半金属的新型拓扑材料。

研究人员认为，这一发现将为量子技术的未来研究可能性和应用打开大门，特别是在所谓的“绿色”技术中。

“我们的研究在证明拓扑材料在量子电子学中的节能应用潜力方面向前迈出了一步，”Hasan说。

更多信息：M. Zahid Hasan，元素固体中的混合拓扑量子态，Nature （2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07203-8.www.nature.com/articles/s41586-024-07203-8

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