在砷表面發(fā)現(xiàn)前所未見的量子混合態(tài)

物理學家剛剛發(fā)現(xiàn)了一些沒人預(yù)料到的東西，潛伏在砷晶體的表面。

在對量子拓撲學（粒子的波狀行為與幾何數(shù)學相結(jié)合）進行研究時，一個研究小組發(fā)現(xiàn)了兩種量子態(tài)的奇怪混合體，每種量子態(tài)都描述了不同的電流方式。

“這個發(fā)現(xiàn)完全出乎意料，”物理學家 M. Zahid Hasan 說普林斯頓大學?！霸谒挥^測到之前，沒有人在理論上預(yù)測到它。

拓撲學在理解材料的行為方面變得越來越重要，這些材料只能用波狀特性來描述，稱為量子物質(zhì).拓撲學關(guān)注結(jié)構(gòu)的幾何形狀，這些結(jié)構(gòu)在彎曲或翹曲時不會有效改變（但如果它們被破壞或刺穿，則可能會改變），拓撲學有可能以多種方式影響材料的量子活動。

很多研究都涉及以鉍為堿的化合物，因為鉍是高效拓撲絕緣體– 一種材料，其外層充當活動導(dǎo)體，內(nèi)部充當絕緣體。這意味著里面的電子是不動的，但表面和邊緣的電子可以自由移動。

常用于半導(dǎo)體材料，砷也可以充當拓撲絕緣體.包括哈桑和他的團隊在內(nèi)的物理學家一直在拓撲絕緣體中尋找新的量子態(tài)，特別是那些可以在室溫下工作的量子態(tài)。

鉍基材料提供了許多見解，但它們需要高溫，并且合成和制備很復(fù)雜。相比之下，砷可以以比鉍更清潔的形式生長，并且更易于制備。因此，研究人員生長了灰砷，具有金屬外觀，并施加磁場。

然后，他們使用掃描隧道顯微鏡（STM）和光發(fā)射光譜（測量電子的能量狀態(tài)）探測樣品，前者在亞原子尺度上產(chǎn)生圖像，后者測量電子的能量狀態(tài)。

他們發(fā)現(xiàn)表面狀態(tài)– 沿著某些拓撲絕緣體的“無間隙”表面流動的電子態(tài) – 這是正常的。但沒人預(yù)料到他們還發(fā)現(xiàn)了什么——邊緣狀態(tài)它們存在于一種完全不同的拓撲絕緣體的邊界上，并且以前從未與表面狀態(tài)并排出現(xiàn)過。

“我們很驚訝，”物理學家沙法亞特·侯賽因（Shafayat Hossain）說普林斯頓大學。“灰砷應(yīng)該只有表面狀態(tài)。但是當我們檢查原子階躍邊緣時，我們也發(fā)現(xiàn)了漂亮的導(dǎo)電邊緣模式。

他們只能得出結(jié)論，他們所觀察到的是一種以前從未見過的混合狀態(tài)。

“通常，我們認為材料的體帶結(jié)構(gòu)屬于幾種不同的拓撲類別之一，每個拓撲類別都與特定類型的邊界狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，”物理學家David Hsieh說加州理工學院，他沒有參與這項研究。

“這項工作表明，某些材料可以同時分為兩類。最有趣的是，從這兩種拓撲結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的邊界態(tài)可以相互作用并重建為一種新的量子態(tài)，而不僅僅是其各部分的疊加。

這一發(fā)現(xiàn)可以解鎖一種新的量子材料，這反過來又可以推進量子物理學研究，以及諸如量子計算.

“我們設(shè)想，具有獨特拓撲結(jié)構(gòu)的砷可以作為類似水平的新平臺，用于開發(fā)目前無法通過現(xiàn)有平臺獲得的新型拓撲材料和量子器件。”哈桑 說.

“材料科學和新物理學的激動人心的新前沿等待著您！”

該研究已發(fā)表在自然界.

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