科学家在拓扑绝缘体装置中发现奇异的量子干涉效应

在一项新颖的实验中，物理学家观察到了基于拓扑绝缘体的设备中由于阿哈罗诺夫-玻姆干涉而产生的长程量子相干效应。这一发现为拓扑量子物理和工程学的未来发展开辟了新的可能性领域。

这一发现还可能影响基于自旋的电子学的发展，该电子学可能会取代当前的一些电子系统以提高能源效率，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 日出版的《自然物理学》杂志上，是普林斯顿大学 15 年多工作的结晶。当普林斯顿大学的科学家开发出一种量子设备时，这种设备被称为溴化铋 (α-Bi 4 Br 4 ) 拓扑绝缘体，只有几纳米厚，并用它来研究量子相干性。

十多年来，科学家们一直在使用拓扑绝缘体来展示新颖的量子效应。普林斯顿大学团队在之前的实验中开发了基于铋的绝缘体，并证明了其在室温下的有效性。

但这个新实验是第一次在非常长程的量子相干性和相对较高的温度下观察到这些效应。仅在存在强磁场的情况下，诱导和观察相干量子态通常需要人工设计的半导体材料的温度接近绝对零。

M. Zahid Hasan 表示：“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以及利用这种拓扑方法探索和推进基础物理开辟了新途径。”普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授领导了这项研究。

“与传统电子设备不同，拓扑电路对缺陷和杂质具有很强的抵抗力，使它们不易耗散能量，这对于绿色应用来说是有利的。”

物质的拓扑状态和相干性

近年来，物质拓扑态的研究引起了物理学家和工程师的广泛关注，也是目前国际上广泛关注和研究的焦点。该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，探索可以变形但本质上不会改变的几何特性。

用于研究量子拓扑奥秘的主要器件称为拓扑绝缘体。这是一种独特的装置，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，沿着边缘流动的电子不会受到任何缺陷或变形的阻碍。在某些铋基材料中也可能存在特殊类型的拓扑，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具有改进技术的潜力，而且还可以通过以新的和创新的方式探测量子特性来加深对物质本身的理解。

然而，到目前为止，无法实现长相干时间一直是将该材料用于功能器件应用的主要障碍。相干性是指在面对破坏性影响(例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。

哈桑说：“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，但直到某些宏观量子拓扑效应能够被证明具有长量子相干性，并且也可以在相对较高的条件下工作“如果温度过高，这些应用可能仍无法实现。因此，我们正在寻找能够表现出拓扑电子长程量子相干性的材料。”

目前的实验

哈桑的团队近二十年来一直在探索铋基拓扑材料。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特性。它具有超过200 meV的大绝缘间隙(毫电子伏特)。它足够大以克服热噪声，但又足够小以至于不会破坏自旋轨道耦合效应和能带反转拓扑。

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，但某些对称性决定的方向的边缘仍然保持导电。这些被称为铰链态，最近由苏黎世大学的合作者和合著者 Titus Neupert 小组提出了理论。

“虽然理论上不能保证，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程的量子相干性。在这种情况下，在基于我们制造的器件的实验中，我们发现了一个自旋轨道耦合效应、长程量子相干性和热波动之间的平衡，”哈桑说。

“我们发现存在一个‘最佳点’，在这里你可以拥有相对较高程度的拓扑铰链模式的量子相干性，并且可以在相对较高的温度下工作。这有点像我们研究的铋基材料的平衡点。已经研究了近二十年了。”

研究人员利用扫描隧道显微镜观察到了清晰的量子自旋霍尔边缘态，这是拓扑系统中独特存在的重要特性之一。这需要额外的新颖仪器来独特地隔离拓扑效应。

尽管铋具有这样的量子态，但该材料本身是半金属，没有任何绝缘能隙。这使得探索其在电子传输中的后果变得困难，因为在铋中，传输通道包含来自体相和铰链态的电子。它们混合并模糊了铰链态的相干量子传输信号。

另一个问题是由物理学家所说的“热噪声”引起的，它被定义为温度升高导致原子开始剧烈振动。这种行为可以破坏脆弱的量子系统，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的电子侵入绝缘体的内部或“本体”，并导致那里的电子也开始导电，从而稀释或破坏特殊的量子效应。热波动也会破坏电子的量子相位相干性。

但该团队开发的溴化铋绝缘体能够绕过这个问题和其他问题。他们使用该设备演示了通过拓扑铰链模式的量子相干传输。量子相干传输的一个标志是阿哈罗诺夫-玻姆量子干涉的表现。

大约 60 年前预测的阿哈罗诺夫-玻姆干涉(物理学家大卫·玻姆于 1947 年至 1951 年在普林斯顿大学)描述了一种现象，即量子波分裂成两个波，这两个波绕着一条闭合路径传播，并在电磁波的影响下发生干涉。潜在的。

产生的干涉图案由波所包围的磁通量决定。对于电子，如果传导电子在完成闭合轨迹后保持相位相干，就会发生这种量子干涉，导致电阻周期性振荡，其磁场特征周期为 ΔB = Φ 0 /S，其中 Φ 0  = h/e 是通量量子，S 是电子轨迹保持相位相干的面积，h 是普朗克常数，e 是电子电荷。

对于拓扑传导通道，参与量子干涉的所有相位相干轨迹都包围垂直于B场的同一区域，这与普遍的电导涨落不同。在这里，他们展示了 α-Bi 4 Br 4样品的磁阻迹线，显示了 B 周期振荡，这是源自相位相干载流子的阿哈罗诺夫-玻姆效应的标志。

“我们首次证明了一类基于铋的拓扑电子器件可以在相对较高的温度下具有高度的量子相干性，这是由于相位相干拓扑产生的阿哈罗诺夫-玻姆干涉效应电子，”哈桑说。

这一发现的拓扑根源在于量子霍尔效应的工作原理，这是一种拓扑效应，是 1985 年诺贝尔物理学奖的主题。从那时起，人们对拓扑相进行了深入研究。

人们已经发现了许多具有拓扑电子结构的新型量子材料，包括拓扑绝缘体、拓扑超导体、拓扑磁体和韦尔半金属。实验和理论发现都在继续。

普林斯顿大学电气工程名誉教授 Daniel Tsui 因发现分数量子霍尔效应而获得 1998 年诺贝尔物理学奖，普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授 F. Duncan Haldane 获得 2016 年诺贝尔物理学奖物理学博士学位，拓扑相变和一种二维 (2D) 拓扑绝缘体的理论发现。

随后的理论发展表明，拓扑绝缘体可以采用基于电子自旋轨道相互作用的霍尔丹模型的两个副本的形式。

哈桑和他的团队在 2007 年发现第一个三维拓扑绝缘体的例子后，花了十年的时间寻找一种拓扑量子态，这种态也可以在相对较高的温度下保持高度的量子相干性。

最近，他们在能够在室温下工作的拓扑材料中找到了霍尔丹猜想的解决方案，该材料也表现出所需的量子化。

哈桑说：“适当的原子化学和结构设计与第一性原理理论相结合，是使拓扑绝缘体的推测性预测在设备设置中变得现实以保持长期量子相干性的关键一步。”

“Bi基拓扑材料有很多，我们需要直觉、经验、特定材料的计算和大量的实验努力，最终找到合适的材料，在设备环境中进行深入探索。这花了我们十年的时间——研究一些最终似乎有效的铋基材料的漫长旅程。”

对量子材料的影响

哈桑实验室的博士后研究员、该研究的共同第一作者沙法亚特·侯赛因 (Shafayat Hossain) 表示：“我们相信这一发现可能是量子工程和纳米技术未来发展的起点。”

“在拓扑量子科学和工程技术中，有很多提出的可能性等待着，找到具有长量子相干特性的合适材料以及新颖的仪器是实现这一目标的关键之一。这就是我们所取得的成就。”

哈桑说：“如果电子没有弹跳或被搅动，它们就不会失去能量。” “这为节能或更环保的技术奠定了量子基础，因为它们消耗的电力要少得多。但这还有很长的路要走。”

哈桑表示，目前，哈桑团队的理论和实验重点集中在两个方向。首先，研究人员希望确定哪些其他拓扑材料可能表现出类似或更高水平的量子相干性，并且重要的是，为其他科学家提供工具和新颖的仪器方法来识别这些将在更高温度下工作的材料。

其次，研究人员希望继续深入探索量子世界，并在设备环境中寻找新的物理学。这些研究将需要开发另一套新仪器、新技术和拓扑装置，以充分利用这些神奇材料的巨大潜力。

这篇题为《拓扑铰链模式的量子输运响应》的论文的合著者、普林斯顿材料研究所的教授 Nan Yao 总结了这项研究，他说：“这项关于高阶拓扑绝缘体的工作例证了发现自然新方面的美丽和重要性，例如拓扑铰链态的量子相干性。”

“这一发现可能会给量子设备带来令人兴奋的进步，我想起了爱因斯坦的名言，‘我们能体验到的最美丽的事物就是神秘。它是所有真正艺术和科学的源泉。’”