物理學家在元素固體中發(fā)現(xiàn)了一種新的量子態(tài)

物理學家在晶體材料中觀察到了一種稱為“混合拓撲”的新型量子效應。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)下一代量子科學和工程的高效材料和技術開辟了一系列新的可能性。

這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然》雜志上，當時普林斯頓大學的科學家發(fā)現(xiàn)，由砷(As)原子組成的元素固體晶體具有一種以前從未觀察到的拓撲量子行為。他們能夠使用掃描隧道顯微鏡(STM)和光電子能譜來探索和成像這種新穎的量子態(tài)，后者是一種用于確定分子和原子中電子相對能量的技術。

這種狀態(tài)結合或“混合”了兩種形式的拓撲量子行為——邊緣態(tài)和表面態(tài)，這是兩種類型的量子二維電子系統(tǒng)。這些已經(jīng)在之前的實驗中觀察到，但從未在同一材料中同時觀察到，它們混合形成新的物質狀態(tài)。

“這一發(fā)現(xiàn)完全出乎意料，”領導這項研究的普林斯頓大學尤金·希金斯物理學教授扎希德·哈桑 (M. Zahid Hasan) 說。 “在觀測之前，沒有人在理論上預測到它。”

近年來，物質拓撲態(tài)的研究引起了物理學家和工程師的廣泛關注，也是目前國際上廣泛關注和研究的焦點。該研究領域將量子物理學與拓撲學相結合，拓撲學是理論數(shù)學的一個分支，探索可以變形但本質上不會改變的幾何特性。

十多年來，科學家們主要通過制造復合材料，例如將鉍與硒 (Se) 混合，使用基于鉍 (Bi) 的拓撲絕緣體來演示和探索散裝固體中的奇異量子效應。然而，這個實驗是首次在砷元素晶體中發(fā)現(xiàn)拓撲效應。

“無論是從基礎物理學的角度來看，還是為了尋找下一代量子科學和工程的潛在應用，對物質新穎拓撲特性的探索和發(fā)現(xiàn)已成為現(xiàn)代物理學中最受歡迎的寶藏之一，”哈桑。 “在元素固體中發(fā)現(xiàn)這種新的拓撲狀態(tài)是通過我們普林斯頓實驗室的多項創(chuàng)新實驗進展和儀器實現(xiàn)的。”

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