拓撲絕緣體內奇異量子效應室温下首現

科技日報北京10月27日電 （記者劉霞）據《自然·材料》雜誌10月封面文章，美國科學家在研究一種鉍基拓撲材料時，首次在室温下觀察到了拓撲絕緣體內的獨特量子效應，有望為下一代量子技術，如能效更高的自旋電子技術的發展奠定基礎，也將加速更高效且更“綠色”量子材料的研發。

拓撲絕緣體是一種特殊的材料，內部的電子不能自由移動，因此不導電，是絕緣體，但邊緣的電子可以自由移動，這意味着這些電子可導電。此外由於拓撲結構，沿邊緣流動的電子不會受到缺陷或變形的阻礙，因此這種材料不僅有可能改進現有技術，還能通過探測量子電子特性，加深人們對物質本身的理解。

但迄今科學家們一直很難用這些材料製造功能器件，因為較高的温度會產生“熱噪音”。温度升高，原子劇烈振動，從而破壞精細的量子系統，使量子態崩潰。特別是在拓撲絕緣體內，較高温度會造成絕緣體表面的電子侵入絕緣體內部，導致那裏的電子開始傳導，從而稀釋或破壞特殊的量子效應。解決方法是將這些實驗置於絕對零度（零下237.15攝氏度）附近，但創建和維護超低温環境成本高且會消耗大量能量。

在最新研究中，普林斯頓大學扎希德·哈桑等人制造出了一種由溴化鉍製成的新型拓撲絕緣體，這是一種無機晶體化合物，有時用於水處理和化學分析。研究發現，這一拓撲絕緣體的絕緣帶隙超過200毫電子伏，足以克服“熱噪音”，也不會破壞自旋軌道耦合效應和帶反轉拓撲。當通過亞原子分辨率掃描隧道顯微鏡觀察時，研究人員觀察到清晰的量子自旋霍爾邊緣態，這是隻在拓撲系統內存在的重要量子特性之一。

研究人員相信，這一突破將為下一代量子技術的發展和應用奠定基礎，也將加速更優異量子材料的開發。未來他們計劃確定能否在室温下在其他拓撲材料內發現同樣的量子效應，也希望在更高温度下開展此類實驗。