物理学家首次在室温下的拓扑绝缘体中观察到新颖的量子效应。这一发现为开发高效量子技术开辟了一系列新的可能性，例如基于自旋的电子学，它可能会取代许多当前的电子系统以提高能源效率。

这一突破发表在《自然材料》十月号的封面文章中，是普林斯顿大学的科学家们探索基于铋元素的拓扑材料时实现的。

十多年来，科学家们一直在使用拓扑绝缘体来证明量子效应，但这次实验是第一次在室温下观察到这些效应。通常，在拓扑绝缘体中诱导和观察量子态需要绝对零附近的温度，即-459华氏度(或-273摄氏度)。

金属板之间发光的橙色条

普林斯顿大学的研究人员发现了一种由铋和溴元素制成的材料，它可以在室温下出现特殊的量子行为——通常只有在高压和接近绝对零的温度下才能看到。

摄影：ShafayatHossain和M.ZahidHasan，普林斯顿大学

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，探索可以变形但不会本质改变的几何特性。

“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，物质的新颖拓扑特性已成为现代物理学中最受欢迎的宝藏之一，”扎希德·哈桑(M.ZahidHasan)说普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授领导了这项研究。“这项工作是由我们普林斯顿实验室的多项创新实验进展促成的。”

用于研究量子拓扑奥秘的主要器件组件称为拓扑绝缘体。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。该设备不仅具有改进技术的潜力，而且还可以通过探测量子电子特性来加深对物质本身的理解。

然而，到目前为止，在功能器件中使用这些材料和器件的过程中一直存在一个主要障碍。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，但在一些宏观量子拓扑效应可以在室温下显现出来之前，这些应用可能仍然无法实现。”

为什么温度很重要

环境温度或高温会产生物理学家所说的“热噪声”，其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。

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。然而，创建和维护超冷环境对于许多应用来说是不切实际的;它成本高、体积大并且消耗大量能量。

但哈桑和他的团队开发了一种创新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，这是一种无机晶体化合物，有时用于水处理和化学分析。

“这真是太棒了，我们在没有巨大压力或超高磁场的情况下发现了它们，从而使这些材料更容易用于开发下一代量子技术，”2022届博士生NanaShumiya说。电气和计算机工程的校友和博士后研究员，他是该论文的三位共同第一作者之一。

“我相信我们的发现将显着推进量子前沿，”她说。