物理学家jia首次在室温下的拓扑pu绝缘体中观察到新颖的量子效应ying。这一发现为开发fa高效量子技术开辟了一系列新的de可能性，例如基于自旋的电子zi学，它可能会取代许多当前的de电子系统以提高能源效率。
这一突破po发表在《自然材料》十月号的封面文wen章中，是普林斯顿大学的科ke学家们探索基于铋bi元素的拓扑材料时实现的。
十多年来，科学家们一直在zai使用拓扑绝缘体来证明量子效应ying，但这次实验是第一次在室shi温下观察到这些效应。通常，在拓扑pu绝缘体中诱导和观察量子态需要绝对dui零附近的温度，即-459华氏度(或-273摄氏shi度)。
金属shu板之间发光的橙色条tiao
普pu林斯顿大学的研究人ren员发现了一种由铋和溴chou元素制成的材料，它可以在室温下xia出现特殊的量子行为——通常只有在高压和he接近绝对零的温度下xia才能看到。
摄影：ShafayatHossain和M.ZahidHasan，普林斯顿大学xue
近年来，物质拓扑态tai的研究引起了物wu理学家和工程师的广泛fan关注，也是目前国际上广泛关注和he研究的焦点。该研究领域yu将量子物理学与拓tuo扑学相结合，拓扑学是理论数学xue的一个分支，探索可ke以变形但不会本质改变的几何特te性。
“无论是从基础物理学xue的角度来看，还是在下一yi代量子工程和纳米技术中寻找zhao潜在应用，物质的新颖拓扑特性xing已成为现代物理学中zhong最受欢迎的宝藏之一，”扎希德·哈桑(M.ZahidHasan)说普林斯顿dun大学尤金middot;希金斯物理学xue教授领导了这项研yan究。“这项工作是由我们men普林斯顿实验室的多项创新实验进展促cu成的。”
用于研究量子拓扑pu奥秘的主要器件组zu件称为拓扑绝缘体。这是一种独特的装置，其内部充当绝缘yuan体，这意味着内部的电子不bu能自由移动，因此不导电。然而，设备bei边缘的电子可以自由移动，这意味着zhe它们是导电的。此外，由于yu拓扑的特殊性质，沿着zhe边缘流动的电子不会受到任何he缺陷或变形的阻碍。该设备不仅具有改gai进技术的潜力，而且还可以yi通过探测量子电子特性xing来加深对物质本身的de理解。
然而，到目前为wei止，在功能器件中使用这zhe些材料和器件的过程中一直zhi存在一个主要障碍。哈桑说：“人们men对拓扑材料很感兴趣，人们经常chang谈论它们在实际应ying用中的巨大潜力，但在一些宏观量liang子拓扑效应可以在室温下显现出来lai之前，这些应用yong可能仍然无法实现。”
为什么温度很重要yao
环境jing温度或高温会产生物理学家所说的“热噪声”，其qi定义为温度升高导dao致原子开始剧烈振zhen动。这种行为可ke以破坏脆弱的量子系统，从而使量子态崩溃kui。特别是在拓扑绝缘体中，这zhe些较高的温度会造成绝jue缘体表面的电子侵入绝缘体的内部或“本ben体”，并导致那里li的电子也开始导电，从而稀释shi或破坏特殊的量liang子效应。
解决这个问题的方法是将此类实shi验置于异常寒冷的温wen度下，通常处于或接jie近绝对零。在这些xie令人难以置信的低温下，原子和he亚原子粒子停止振动，因此更容易yi操纵。然而，创建和维护超冷环境对dui于许多应用来说是不切实际的;它成本高、体积大并且消耗hao大量能量。
但哈桑和他的团tuan队开发了一种创新方fang法来绕过这个问题ti。基于他们在拓扑pu材料方面的经验并与yu许多合作者合作，他们men制造了一种由溴化hua铋(化学式α-Bi4Br4)制成的新型拓扑绝缘yuan体，这是一种无机晶jing体化合物，有时用于水处理和化学xue分析。
“这真是太棒了，我们在zai没有巨大压力或超chao高磁场的情况下发现了它ta们，从而使这些材料更容易用于开发下xia一代量子技术，”2022届博士生NanaShumiya说。电气和计算机工程的校友和博士shi后研究员，他是该论文的三位共同第di一作者之一。
“我相信我wo们的发现将显着推tui进量子前沿，”她说。
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