科學家首次在室溫環境下觀測到拓撲絕緣體中新量子效應

物理學家首次在室溫環境下觀測到拓撲絕緣體中的新量子效應。普林斯頓大學的研究人員發現，一種由鉍和溴元素製成的拓撲絕緣體表現出特殊的量子行為，而這種行為通常只有在高壓或者接近於絕對零度的極端實驗條件下才能看到。

這一發現為開發高效量子技術開闢了一系列新的可能性，例如基於自旋的高能效電子學。該研究作為《Nature Materials》雜誌 10 月號的封面文章發表。

儘管科學家們在過去十多年時間裡一直在使用拓撲絕緣體來證明量子效應，但這項實驗是首次在室溫下觀察到這些效應。在拓撲絕緣體中誘導和觀察量子態通常需要絕對零附近的溫度，即負 459 華氏度（或 -273 攝氏度）。

這一發現為開發高效量子技術開闢了新的可能性，例如基於自旋的電子學，它有可能以更高的能源效率取代許多當前的電子系統。

扎希德·哈桑（Zahid Hasan）表示：「無論是從基礎物理學的角度來看，還是在下一代量子工程和納米技術中尋找潛在應用，物質的新拓撲特性已成為現代物理學中最受歡迎的寶藏之一。這項研究得益於我們普林斯頓實驗室的多項創新實驗進展」。

拓撲絕緣體是用於研究量子拓撲奧秘的主要器件組件。這是一種獨特的裝置，在其內部充當絕緣體，這意味著內部的電子不能自由移動，因此不導電。然而，設備邊緣的電子可以自由移動，這意味著它們是導電的。

此外，由於拓撲的特殊性質，沿邊緣流動的電子不受任何缺陷或變形的阻礙。該設備不僅具有改進技術的潛力，而且還具有通過探測量子電子特性來加深對物質本身的理解的潛力。

哈桑表示：「人們對拓撲材料很感興趣，人們經常談論它們在實際應用中的巨大潛力。但在室溫下可以表現出一些宏觀量子拓撲效應之前，這些應用可能仍然無法實現」。

這主要是因為物理學家所稱的「熱雜訊」（定義為溫度升高，使得原子開始劇烈振動）需要在嚴苛的環境或者高溫環境下才能創建。這種行為可以破壞微妙的量子系統，從而使量子態崩潰。特別是在拓撲絕緣體中，這些較高的溫度會造成絕緣體表面上的電子侵入絕緣體內部或「體塊」的情況，並導致那裡的電子也開始傳導，從而稀釋或破壞特殊的量子效應。

解決這個問題的方法是將此類實驗置於異常寒冷的溫度下，通常處於或接近絕對零。在這些令人難以置信的低溫下，原子和亞原子粒子停止振動，因此更容易操縱。但是對於許多應用程序來說，創建和維護超冷環境是不切實際的。它成本高、體積大，並且消耗大量能源。

不過，然而，哈桑和他的團隊已經開發出一種創新的方法來繞過這個問題。基於他們在拓撲材料方面的經驗並與許多合作者合作，他們製造了一種由溴化鉍（化學式 α-Bi4Br4）製成的新型拓撲絕緣體，溴化鉍是一種無機結晶化合物，有時用於水處理和化學分析。

娜娜·舒米亞（Nana Shumiya）表示：「我們發現這種量子態是在沒有巨大壓力或者超高磁場情況下發生的，從而使這些材料更容易用於開發下一代量子技術」。她是普林斯頓大學的博士，是電氣和計算機工程的博士後研究助理，並且是該論文的三位共同第一作者之一。

舒米亞表示：「我相信我們的發現將顯著推進量子前沿」。