科学家在拓扑绝缘体器件中发现奇异的量子干涉效应

在一项新的实验中，物理学家在一种基于拓扑绝缘体的设备中观察到了由于Aharonov-Bohm干涉引起的长距离量子相干效应。这一发现为拓扑量子物理和工程的未来发展开辟了一个新的可能性领域。

这一发现也可能影响基于自旋的电子技术的发展，这可能潜在地取代当前的一些电子系统以获得更高的能效，并可能为探索量子信息科学提供新的平台

这项研究发表在2月20日的《自然物理学》杂志上，是普林斯顿大学15年多工作的成果。普林斯顿大学的科学家开发了一种只有几纳米厚的量子器件，称为溴化铋（α-Bi4Br4）拓扑绝缘体，并将其用于研究量子相干性

十多年来，科学家们一直使用拓扑绝缘体来证明新的量子效应。普林斯顿大学的研究小组在之前的一次实验中开发了铋基绝缘体，并证明了其在室温下的有效性

但这项新实验是第一次在相对较高的温度下以非常长的量子相干性观察到这些效应。只有在强磁场存在的情况下，在人工设计的半导体材料上，诱导和观察相干量子态通常需要接近绝对零度的温度

“我们的实验为拓扑铰链模式中存在长程量子相干性提供了令人信服的证据，从而为拓扑电路的发展开辟了新的途径，并利用这种拓扑方法探索和推进基础物理学，”领导这项研究的普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授M.Zahid Hasan说

“与传统电子设备不同，拓扑电路对缺陷和杂质具有强大的抵抗能力，使其不太容易发生能量耗散，这有利于更环保的应用。”

物质和相干性的拓扑状态

近年来，物质拓扑状态的研究已经引起了物理学家和工程师的极大关注，也是目前国际上关注和研究的焦点。这一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，探索可以变形但不会本质改变的几何性质

用于研究量子拓扑奥秘的主要设备被称为拓扑绝缘体。这是一种独特的设备，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，由于拓扑结构的特殊性质，沿边缘流动的电子不会受到任何缺陷或变形的阻碍。在某些铋基材料中，一种特殊类型的拓扑结构也是可能的，其中一些边缘可以有间隙，并且只有一些铰链保持导电

由这种拓扑材料制成的设备不仅有可能改进技术，而且有可能通过以新的创新方式探测量子特性来更好地理解物质本身

然而，到目前为止，无法实现长相干时间一直是寻求将材料用于功能器件的主要障碍。相干性是指在面对破坏性影响（如热化或与环境的其他相互作用）时保持叠加和纠缠的量子态的能力

“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，”Hasan说，“但是，在某些宏观量子拓扑效应被证明具有长量子相干性（也可能在相对较高的温度下工作）之前，这些应用可能仍无法实现。因此，我们正在寻找表现出拓扑电子长程量子相干性的材料。”

当前的实验

Hasan的团队已经探索铋基拓扑材料近二十年了。然而，最近，该团队发现，与他们自2005年以来研究的铋基拓扑绝缘体（包括Bi-Sb合金）相比，溴化铋绝缘体具有更理想的性能。它具有超过200meV（毫电子伏特）的大绝缘间隙。这足够大以克服热噪声，但足够小以不破坏自旋轨道耦合效应和带反转拓扑

溴化铋绝缘体属于一类拓扑绝缘体，也表现出高阶效应，其表面变得绝缘，但某些对称定向的边缘保持导电。这些被称为铰链态，最近由苏黎世大学的合作者兼合著者Titus Neupert小组提出理论

“虽然理论上没有保证，但通过几年的实验，我们发现溴化铋的铰链态在相对较高的温度下具有非常长的量子相干。在这种情况下，在我们基于我们制造的设备的实验中，我们发现了自旋轨道耦合效应、长程量子相干和热波动之间的平衡。”哈桑说

“我们发现有一个‘最佳点’，在这里，拓扑铰链模式可以具有相对较高的量子相干性，也可以在相对较高的温度下工作。这有点像我们研究了近20年的铋基材料的平衡点。”

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