拓撲絕緣體內奇異量子效應室溫下首現

科技日報北京10月27日電 （記者劉霞）據《自然·材料》雜志10月封面文章，美國科學家在研究一種鉍基拓撲材料時，首次在室溫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，這意味著這些電子可導電。此外由于拓撲結構，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制造功能器件，因為較高的溫度會產生“熱噪音”。溫度升高，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，較高溫度會造成絕緣體表面的電子侵入絕緣體內部，導致那里的電子開始傳導，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于絕對零度（零下237.15攝氏度）附近，但創建和維護超低溫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制成的新型拓撲絕緣體，這是一種無機晶體化合物，有時用于水處理和化學分析。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，這是只在拓撲系統內存在的重要量子特性之一。