首次发现室温下的奇异量子态

近年来，对物质的拓扑态的研究引起了物理学家和工程师的极大关注。这一研究领域结合了量子物理学和拓扑学（理论数学的一个分支，探讨的是可以变形但本质上不发生变化的几何特性）。物质的新拓扑学特性已经成了现代物理学中最抢手的宝藏之一，无论是从基础物理学的角度，还是从寻找下一代量子工程和纳米技术的潜在应用角度来看，都是如此。

近日，物理学家首次在室温下的拓扑绝缘体中观察到了新的量子效应。研究团队发现，一种由铋和溴元素制成的、被称为拓扑绝缘体的材料，表现出了专门的量子行为，而这些行为通常只有在高压和接近绝对零度的极端实验条件下才能看到。

科学家使用拓扑绝缘体来证明量子效应已有十多年，但这个实验是第一次在室温下观察到这些效应。这一发现为高效的量子技术的发展开辟了一系列新的可能性，比如基于自旋的高能效电子产品。论文已发表在《自然·材料》上。

  拓扑绝缘体  

用于研究量子拓扑学之谜的主要设备组件被称为拓扑绝缘体。这是一种独特的装置，它的内部表现得像绝缘体，这意味着内部的电子不能自由移动，因此不导电。但在这种设备边缘的电子可以自由移动，换句话说，它们是导电的。

此外，由于拓扑结构的特殊属性，沿边缘流动的电子不会受到任何缺陷或变形的阻碍。这种装置不仅有可能改善技术，而且有可能通过探测量子电子特性而对物质本身产生更深入的理解。

然而，直到现在，在寻求将这种材料和装置应用于功能设备的过程中，一直存在着一个重大的绊脚石。这是因为环境或高温会产生物理学家口中的“热噪声”，这会破坏精巧的量子系统，从而使量子态坍缩。

热噪声被定义为温度的上升，从而让原子开始剧烈振动。在拓扑绝缘体中，较高的温度会造成一种情况，那就是，绝缘体表面的电子侵入绝缘体的内部，并导致那里的电子也开始导电，这就破坏了特殊的量子效应。

想要绕过这一点，就只能将这类实验置于极低的温度下。通常情况下，在拓扑绝缘体中诱导和观察量子态需要在绝对零度左右的温度下。在这种极端低温环境里，原子和亚原子粒子停止振动，因此更容易被操纵。然而，创造和维持一个超冷环境对许多应用来说都相当不切实际。

  达到巧妙的平衡  

绝缘体，比如半导体，带有所谓的绝缘隙，或带隙。从本质上讲，这些就像轨道电子之间的“壁垒”，是一种电子无法进入的“无人区”。

这些带隙极为重要，它们就是克服热噪声对实现量子状态的限制的关键。如果带隙的宽度超过了热噪声的宽度，它们就能做到这一点。但过大的带隙可能会破坏电子的自旋-轨道耦合，也就是电子的自旋和它围绕原子核的轨道运动之间的相互作用。

当这种破坏发生时，拓扑量子态就会坍缩。因此，诱发和维持量子效应的诀窍，是在大的带隙和自旋-轨道耦合效应之间找到一个平衡。

新的研究团队开发出了一种创新的方法绕过这个问题。基于他们在拓扑材料方面的经验，并与其他许多合作者合作，他们制造出了一种由溴化铋（化学式为α-Bi₄Br₄）制成的新型拓扑绝缘体，这是一种无机结晶化合物，有时会用于水处理和化学分析。

他们发现，溴化铋绝缘体的特性非常理想。它有一个超过200meV的绝缘隙。这大到足以克服热噪声，但也小到足以不破坏自旋-轨道耦合效应和带状反演拓扑。换句话说，它在自旋-轨道耦合效应和大带隙宽度之间找到了一种巧妙的平衡。

当研究人员通过亚原子分辨率的扫描隧道显微镜观察实验中的情况时，他们相当有信心已经实现了目标。他们观察到一个清晰的量子自旋霍尔边缘态，也就是拓扑系统中独特存在的重要特性之一。他们第一次证明了，有一类铋基的拓扑材料，其拓扑结构在室温下仍然存在。

  发展的起点  

科学家相信，这一发现可能是未来纳米技术发展的起点。这一突破也将对下一代量子技术产生特别的影响。它可以帮助加速开发更高效、更绿色的量子材料。

目前，团队的理论和实验重点集中在两个方向。首先，研究人员希望确定还有哪些拓扑材料可能在室温下工作，而且重要的是，他们还可以为其他科学家提供工具和新颖的仪器方法，从而帮助确定那些能在室温和高温下工作的材料。

其次，研究人员希望继续深入探究量子世界，因为这一发现使在更高的温度下进行实验成为可能。这些研究还需要开发另一套新的仪器和技术，充分挖掘这些材料的巨大潜力。