科学家首次在室温环境下观测到拓扑绝缘体中新量子效应

物理学家首次在室温环境下观测到拓扑绝缘体中的新量子效应。普林斯顿大学的研究人员发现，一种由铋和溴元素制成的拓扑绝缘体表现出特殊的量子行为，而这种行为通常只有在高压或者接近于绝对零度的极端实验条件下才能看到。

这一发现为开发高效量子技术开辟了一系列新的可能性，例如基于自旋的高能效电子学。该研究作为《Nature Materials》杂志 10 月号的封面文章发表。

尽管科学家们在过去十多年时间里一直在使用拓扑绝缘体来证明量子效应，但这项实验是首次在室温下观察到这些效应。在拓扑绝缘体中诱导和观察量子态通常需要绝对零附近的温度，即负 459 华氏度（或 -273 摄氏度）。

这一发现为开发高效量子技术开辟了新的可能性，例如基于自旋的电子学，它有可能以更高的能源效率取代许多当前的电子系统。

扎希德·哈桑（Zahid Hasan）表示：“无论是从基础物理学的角度来看，还是在下一代量子工程和纳米技术中寻找潜在应用，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。这项研究得益于我们普林斯顿实验室的多项创新实验进展”。

拓扑绝缘体是用于研究量子拓扑奥秘的主要器件组件。这是一种独特的装置，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，设备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受任何缺陷或变形的阻碍。该设备不仅具有改进技术的潜力，而且还具有通过探测量子电子特性来加深对物质本身的理解的潜力。

哈桑表示：“人们对拓扑材料很感兴趣，人们经常谈论它们在实际应用中的巨大潜力。但在室温下可以表现出一些宏观量子拓扑效应之前，这些应用可能仍然无法实现”。

这主要是因为物理学家所称的“热噪声”（定义为温度升高，使得原子开始剧烈振动）需要在严苛的环境或者高温环境下才能创建。这种行为可以破坏微妙的量子系统，从而使量子态崩溃。特别是在拓扑绝缘体中，这些较高的温度会造成绝缘体表面上的电子侵入绝缘体内部或“体块”的情况，并导致那里的电子也开始传导，从而稀释或破坏特殊的量子效应。

解决这个问题的方法是将此类实验置于异常寒冷的温度下，通常处于或接近绝对零。在这些令人难以置信的低温下，原子和亚原子粒子停止振动，因此更容易操纵。但是对于许多应用程序来说，创建和维护超冷环境是不切实际的。它成本高、体积大，并且消耗大量能源。

不过，然而，哈桑和他的团队已经开发出一种创新的方法来绕过这个问题。基于他们在拓扑材料方面的经验并与许多合作者合作，他们制造了一种由溴化铋（化学式 α-Bi4Br4）制成的新型拓扑绝缘体，溴化铋是一种无机结晶化合物，有时用于水处理和化学分析。

娜娜·舒米亚（Nana Shumiya）表示：“我们发现这种量子态是在没有巨大压力或者超高磁场情况下发生的，从而使这些材料更容易用于开发下一代量子技术”。她是普林斯顿大学的博士，是电气和计算机工程的博士后研究助理，并且是该论文的三位共同第一作者之一。

舒米亚表示：“我相信我们的发现将显着推进量子前沿”。

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