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物理學家首次在室溫下的拓撲絕緣體中觀察到新的量子效應：北京理工大學物理學院姚裕貴團隊與普林斯頓大學M. Zahid Hasan團隊合作探索一種基於鉍（Bi）元素的拓撲材料時取得了這一進展。相關成果以《高階拓撲絕緣體中的室溫量子自旋霍爾邊緣態的證據》為題[1]，並作為《自然·材料》10月刊的封面文章發表。
01
拓撲絕緣體的自旋邊緣態：亟待研究
拓撲絕緣體是一種在其內部表現為絕緣體的材料，但其表面含有受保護的導電狀態。二維（2D）拓撲絕緣體的特點是在絕緣體間隙中具有時間反轉對稱性保護的自旋邊緣態，並相應地表現出量子自旋霍爾效應。自旋邊緣態的特點是沿著樣品邊緣的無耗散電子通道，這在節能技術和量子信息科學中具有極大的意義。
在拓撲絕緣體候選材料中，Bi4Br4具有類似范德華鍵的層狀結構，並被認為具有較大的絕緣間隙和較弱的層間耦合；因此，單層Bi4Br4有可能在獨立和塊狀環境中實現高溫量子自旋霍爾態。
a）量子自旋霍爾邊緣態的示意圖：在實空間中具有自旋上升（紅色）和自旋下降（藍色）無耗散通道的反傳播自旋邊緣態（左）；在表面動量空間中具有紅色和藍色帶的相同拓撲邊緣態（卡通視圖）投影（右）。邊緣態源於體帶反轉，它由橙色和淺藍色帶子勾勒出來。b）α-Bi4Br4的三維晶體結構，單層的俯視圖（右下角）和塊體的側視圖（右上角）。c）從側面看的掃描透射電子顯微鏡圖像，顯示原子層間AB堆積（AB stacking）。淺藍色的曲線是在表面的不同位置拍攝的差異光譜，深藍色的曲線表示平均光譜。
不過，在尋求將該材料和裝置應用於功能設備的過程中，一直存在著一個重大的絆腳石。「人們對拓撲材料有很大的興趣，人們經常談論它們在實際應用中的巨大潛力，」普林斯頓大學教授、本文通訊作者M. Zahid Hasan說[2]：「但是，直到一些宏觀的量子拓撲效應能夠在室溫下表現出來之前，這些應用可能仍然無法實現。」
這是因為環境或高溫會產生物理學家所說的「熱噪聲（thermal noise）」，它被定義為溫度上升，使原子開始劇烈振動；這種行為會破壞微妙的量子系統，從而使量子態坍縮。特別是在拓撲絕緣體中，這些較高的溫度會造成一種情況，即絕緣體表面的電子侵入絕緣體的內部，並導致那裡的電子也開始導電，這將稀釋或破壞特殊的量子效應。
繞過這一點的方法是將此類實驗置於特別低的溫度下，通常是在絕對零度或接近絕對零度的溫度下。在這些令人難以置信的低溫下，原子和亞原子粒子會停止振動，因此更容易被操縱。然而，創造和維持一個超冷環境對許多應用來說是不切實際的：它成本高，體積大，而且需要消耗大量的能量。
因此，對拓撲絕緣體的邊緣態性質進行具有原子層空間解析度、磁場可調性和溫度控制的空間實驗研究是非常可取的。
02
室溫下的拓撲絕緣體，推動量子前沿發展
近日，Hasan團隊開發出了一種創新的方法：基於他們在拓撲材料方面的經驗，並與許多合作者合作，他們製造了一種由溴化鉍（化學式為α-Bi4Br4）製成的新型拓撲絕緣體，這是一種無機的結晶化合物，有時用於水處理和化學分析。
「這實在是太令人激動了，我們在沒有巨大壓力或超高磁場的情況下發現了它們，從而使這些材料更容易用於開發下一代量子技術。」普林斯頓大學博士、電子和計算機工程博士後研究助理、該論文的三位共同第一作者之一Nana Shumiya說：「我相信我們的發現將大大推動量子前沿的發展。」
這一發現的根源在於量子霍爾效應（一種拓撲效應）的工作原理。
Hasan團隊在2007年發現第一個三維拓撲絕緣體的例子後，一直在尋找一種也可能在室溫下工作的拓撲量子態；歷時十年，他們終於在一個能夠在室溫下工作的戈薇晶格（kagome lattice）中發現了一個解決霍爾猜想的材料方案，該方案也表現出所需的量子化。
「戈薇晶格拓撲絕緣體可以被設計成擁有相對論帶交叉和強電子-電子相互作用。」Hasan說：「這兩者對於新型的磁性都是至關重要的。因此，我們意識到，戈薇晶格是一個很有前途的系統，可以在其中尋找拓撲磁體相，因為它們就像我們十多年前發現和研究的拓撲絕緣體。」
「合適的原子化學和結構設計加上第一原理理論，是使拓撲絕緣體的推測預測在高溫環境下成為現實的關鍵步驟，」Hasan說：「有數百種拓撲材料，我們既需要直覺、經驗、特定材料的計算，也需要緊張的實驗努力，最終找到合適的材料進行深入探索。而這使我們走上了長達十年的調查許多鉍基材料的旅程。」
絕緣體，像半導體一樣，有所謂的絕緣，或帶隙：這些實質上是軌道電子之間的「障礙」，是一種電子無法進入的「無人區」。這些帶隙極為重要，因為除其他外，它們是克服熱噪聲對實現量子態的限制的關鍵。
如果帶隙的寬度超過了熱噪聲的寬度，它們就能做到這一點。但過大的帶隙有可能破壞電子的自旋-軌道耦合：這是電子的自旋和它圍繞原子核的軌道運動之間的相互作用。當這種破壞發生時，拓撲量子態就會坍塌。因此，誘發和維持量子效應的訣竅是在大帶隙和自旋-軌道耦合效應之間找到一個平衡。
Hasan團隊研究了溴化鉍系列材料，團隊發現，與他們之前研究的基於鉍-銻的拓撲絕緣體（Bi-Sb合金）相比，溴化鉍絕緣體的特性使其更加理想：它有一個超過200meV（毫電子伏）的大絕緣間隙。這大到足以克服熱噪聲，但小到足以不破壞自旋-軌道耦合效應和帶狀反轉拓撲結構。
室溫下的邊緣態。a）取自表面和邊緣的隨溫度變化的差分光譜，分別用藍色和紅色曲線表示（在b中相應的地形圖圖像中標記的位置；藍色曲線是藍色標記區域的平均數）。b）在T=300、200和100K（V=0 mV）時在單層階梯邊緣上拍攝的地形圖和相應的差分電導圖，捕捉到了邊緣態的溫度魯棒性。c）在T=300K時沿a軸方向拍攝的一系列線譜的強度圖（在b中相應的地形圖上用紅線標記；掃描方向用箭頭標記），顯示了室溫下無間隙邊緣態的存在。
「在這種情況下，我們在實驗中發現了自旋-軌道耦合效應和大帶隙寬度之間的平衡。」Hasan說：「我們發現有一個『甜點位』，在那裡科學家可以有相對大的自旋軌道耦合來創造一個拓撲扭曲、以及提高帶隙而不破壞它。這有點像我們長期研究的鉍基材料的一個平衡點。」
當研究人員通過亞原子解析度的掃描隧道顯微鏡觀察實驗中的情況時，他們知道他們已經實現了他們的目標，這是一種獨特的設備，利用一種被稱為「量子隧道」的特性，電子在顯微鏡尖銳的金屬單原子尖端和樣品之間被漏掉。該顯微鏡利用這種隧道電流而不是光來觀察原子尺度上的電子世界。最終，研究人員觀察到一個清晰的量子自旋霍爾邊緣態，這是在拓撲系統中獨特存在的重要特性之一。
Hasan說：「我們第一次證明了有一類鉍基拓撲材料，其拓撲結構在室溫下仍然存在。」
03
未來納米技術的發展起點：將加速更高效、綠色的量子材料開發
這一發現是多年來來之不易的實驗工作的結晶，15年來，Hasan一直是實驗性量子拓撲材料領域的領先研究者，擁有新穎的實驗方法；事實上，他也是該領域的早期先驅研究者之一。
例如，在2005年至2007年期間，他和他的研究團隊用新穎的實驗方法在三維鉍銻塊狀固體、半導電合金和相關的拓撲狄拉克材料中發現了拓撲秩序：這導致了拓撲磁性材料的發現；在2014年和2015年之間，他們發現了一類新的拓撲材料，稱為磁性外爾半金屬。
研究人員認為，這一突破將為未來大量的研究可能性和量子技術的應用打開大門。
Hasan實驗室的博士後研究助理、該研究的另一位共同第一作者Shafayat Hossain說：「我們相信這一發現可能是未來納米技術發展的起點。在拓撲技術方面已經有許多擬議的可能性在等待著，而找到合適的材料加上新穎的儀器是其中的關鍵。」
Hasan和他的團隊認為這一突破將對下一代量子技術產生特別影響的一個研究領域：將加速開發更高效、更「綠色」的量子材料。
Hasan說，目前，該團隊的理論和實驗重點集中在兩個方向：
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首先，研究人員希望確定還有哪些拓撲材料可能在室溫下工作，而且更重要的是，為其他科學家提供工具和新的儀器方法，以確定將在室溫和高溫下工作的材料；
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第二，研究人員希望繼續深入探究量子世界，因為這一發現使在更高溫度下進行實驗成為可能。
「我們的研究在展示拓撲材料的節能應用潛力方面是一個真正的進步，」Hasan補充說：「我們在這裡通過這個實驗所做的是播下一顆種子，鼓勵其他科學家和工程師做大夢。」
參考連結：
[1]https://phys.org/news/2022-10-scientists-exotic-quantum-state-room.html
[2]https://www.nature.com/articles/s41563-022-01304-3