科学家在拓扑绝缘体器件中发现奇异的量子干涉效应

电子沿对称性允许的样品铰链拓扑运动的量子干涉示意图。图片来源：Shafayat Hossain，普林斯顿大学扎希德·哈桑（Zahid Hasan）小组的博士后研究员

在一项新颖的实验中，物理学家在基于拓扑绝缘体的器件中观察到了由于Aharonov-Bohm干涉而产生的长程量子相干效应。这一发现为拓扑量子物理学和工程学的未来发展开辟了新的可能性领域。

这一发现还可能影响基于自旋的电子学的发展，这些电子学可能会取代现有的一些电子系统以获得更高的能源效率，并可能为探索量子信息科学提供新的平台。

这项研究发表在2月20日的《自然物理学》杂志上，是普林斯顿大学超过15年工作的结晶。当普林斯顿大学的科学家开发出一种称为溴化铋（α-Bi）的量子器件时，它就出现了4溴4）拓扑绝缘体——只有几纳米厚，并用它来研究量子相干性。

十多年来，科学家们一直在使用拓扑绝缘体来证明新的量子效应。普林斯顿大学团队在之前的实验中开发了铋基绝缘体，他们证明了其在室温下的有效性。

但这项新实验是第一次在非常长的量子相干性和相对较高的温度下观察到这些效应。只有在存在强磁场的情况下，人工设计的半导体材料通常需要诱导和观察相干量子态的温度接近绝对零度。

“我们的实验为拓扑铰链模式中长程量子相干性的存在提供了令人信服的证据，从而为拓扑电路的发展开辟了新的途径，并利用这种拓扑方法来探索和推进基础物理学，”普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授M. Zahid Hasan说。

“与传统的电子设备不同，拓扑电路对缺陷和杂质具有鲁棒性，使它们不容易耗散能量，这有利于更环保的应用。”

物质和相干性的拓扑状态

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，是目前国际上关注和研究的焦点。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，旨在探索可以变形但本质上不会改变的几何特性。

用于研究量子拓扑奥秘的主要设备称为拓扑绝缘体。这是一种独特的装置，在其内部充当绝缘体，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，由于拓扑结构的特殊性质，沿边缘流动的电子不会受到任何缺陷或变形的阻碍。在某些铋基材料中也可以采用特殊类型的拓扑结构，其中某些边缘可以间隙，只有一些铰链保持导电。

由这种拓扑材料制成的设备不仅具有改进技术的潜力，而且可以通过以新的和创新的方式探测量子特性来更好地理解物质本身。

然而，到目前为止，无法实现较长的相干时间一直是寻求将材料用于功能设备应用的主要绊脚石。相干性是指在面对破坏性影响（例如热化或与环境的其他相互作用）时保持叠加和纠缠的量子态的能力。

“人们对拓扑材料很感兴趣，人们经常谈论它们在实际应用方面的巨大潜力，”哈桑说，“但在一些宏观量子拓扑效应被证明具有长量子相干性之前，这些应用可能仍然无法实现。因此，我们正在寻找能够表现出拓扑电子长程量子相干性的材料。

目前的实验

近二十年来，Hasan的团队一直在探索基于铋的拓扑材料。然而，最近，该团队发现，与他们自2005年以来研究的铋基拓扑绝缘体（包括Bi-Sb合金）相比，溴化铋绝缘体的特性使其更理想。它具有超过 200 meV（毫电子伏特）的大绝缘间隙。这足以克服热噪声，但又足够小，不会破坏自旋轨道耦合效应和带反演拓扑。

溴化铋绝缘体属于一类拓扑绝缘体，它们也表现出高阶效应，其表面变得绝缘，但某些对称性决定的方向的边缘仍然导电。这些被称为铰链态，最近由苏黎世大学的合作者和合著者Titus Neupert的小组理论化。

“虽然理论上不能保证，但通过几年的实验，我们发现溴化铋的铰链态在相对较高的温度下具有非常长的量子相干性。在这种情况下，在我们基于我们制造的设备的实验中，我们发现了自旋轨道耦合效应，长程量子相干性和热波动之间的平衡，“哈桑说。

“我们发现有一个'甜蜜点'，你可以对拓扑铰链模式具有相对较高的量子相干性，并在相对较高的温度下工作。这有点像我们研究了近二十年的铋基材料的平衡点。

使用扫描隧道显微镜，研究人员观察到清晰的量子自旋霍尔边缘状态，这是拓扑系统中唯一存在的重要特性之一。这需要额外的新仪器来独特地隔离拓扑效应。

尽管铋具有这样的量子态，但材料本身是一种没有任何绝缘能隙的半金属。这使得很难探索它在电子传输中的后果，因为在铋中，传输通道包含来自本体和铰链态的电子。它们混合并模糊了铰链态的相干量子传输信号。

另一个问题是由物理学家所说的“热噪声”引起的，热噪声被定义为温度升高，使原子开始剧烈振动。这种行为可以破坏微妙的量子系统，从而破坏量子态。特别是在拓扑绝缘体中，这些较高的温度会产生一种情况，即绝缘体表面的电子侵入绝缘体的内部或“体积”，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。热涨落也会破坏电子的量子相位相干性。

但是该团队开发的溴化铋绝缘体能够绕过这个问题和其他问题。他们使用该设备通过拓扑铰链模式演示量子相干传输。量子相干输运的一个标志是Aharonov-Bohm量子干涉的表现。

大约60年前预测的Aharonov-Bohm干涉（物理学家David Bohm于1947年至1951年在普林斯顿大学）描述了一种现象，即量子波分裂成两个波，这些波围绕封闭路径并在电磁势的影响下进行干扰。

由此产生的干涉图案由波包围的磁通量决定。在电子的情况下，如果传导电子在完成闭合轨迹后保持相位相干，则会发生这种量子干涉，从而导致电阻周期性振荡，其特征周期为磁场 ΔB = Φ0/S，其中 Φ0= h/e 是通量量子，S 是电子轨迹保持相位相干的区域，h 是普朗克常数，e 是电子电荷。

对于拓扑导通道，所有参与量子干涉的相位相干轨迹都包围了垂直于B场的相同区域，这与通用电导涨落不同。在这里，他们展示了来自 α-Bi 的磁阻迹线4溴4显示 B 周期振荡的样品，这是源自相位相干载流子的 Aharonov-Bohm 效应的标志。

“我们首次证明，有一类基于铋的拓扑电子器件可以具有高度的量子相干性，可以在相对较高的温度下存活，这是由于来自相位相干拓扑电子的Aharonov-Bohm干涉效应，”Hasan说。

这一发现的拓扑学根源在于量子霍尔效应的工作原理，这是一种拓扑效应形式，是1985年诺贝尔物理学奖的主题。从那时起，拓扑相就被深入研究了。

已经发现了许多具有拓扑电子结构的新型量子材料，包括拓扑绝缘体、拓扑超导体、拓扑磁体和外尔半金属。实验和理论上的发现都在继续。

普林斯顿大学Arthur Legrand Doty电气工程名誉教授Daniel Tsui因发现分数量子霍尔效应而获得1998年诺贝尔物理学奖，普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授F. Duncan Haldane因拓扑相变和一种二维（2D）拓扑绝缘体的理论发现而获得2016年诺贝尔物理学奖。

随后的理论发展表明，拓扑绝缘体可以采用基于电子自旋-轨道相互作用的霍尔丹模型的两个副本的形式。

哈桑和他的团队在2007年发现了第一个三维拓扑绝缘体的例子后，一直在寻找一种拓扑量子态，这种态也可以在相对较高的温度下保持高度的量子相干性。

最近，他们在一种能够在室温下工作的拓扑材料中找到了霍尔丹猜想的解决方案，该材料也表现出所需的量子化。

“合适的原子化学和结构设计与第一性原理理论相结合，是使拓扑绝缘体的推测预测在设备环境中成为现实以保持长量子相干性的关键一步，”Hasan说。

“有许多基于Bi的拓扑材料，我们需要直觉、经验、特定材料的计算和密集的实验工作，才能最终找到合适的材料，以便在设备环境中进行深入探索。这让我们踏上了长达十年的旅程，研究一些最终似乎有效的铋基材料。

对量子材料的影响

“我们相信这一发现可能是量子工程和纳米技术未来发展的起点，”哈桑实验室的博士后研究员、该研究的共同第一作者Shafayat Hossain说。

“在拓扑量子科学和工程技术方面，已经提出了许多可能性，而找到具有长量子相干特性的合适材料以及新型仪器是实现这一目标的关键之一。这就是我们所取得的成就。

“如果电子没有反弹，或者被搅动，它们就不会失去能量，”哈桑说。“这为节能或更环保的技术创造了量子基础，因为它们消耗的电力要少得多。但这还有很长的路要走。

哈桑说，目前，哈桑团队的理论和实验重点集中在两个方向。首先，研究人员希望确定哪些其他拓扑材料可能表现出类似或更高水平的量子相干性，重要的是，为其他科学家提供工具和新颖的仪器方法来识别这些将在更高温度下工作的材料。

其次，研究人员希望继续更深入地探索量子世界，并在设备环境中寻找新的物理学。这些研究将需要开发另一套新的仪器和技术以及拓扑器件，以充分利用这些神奇材料的巨大潜力。

这篇题为“拓扑铰链模式的量子输运响应”的论文的合著者、普林斯顿材料研究所的实践教授姚楠总结说：“这项关于高阶拓扑绝缘体的工作体现了发现自然界新方面的美丽和重要性，例如拓扑铰链态的量子相干性。

“这一发现可能会带来量子器件的激动人心的进步，我想起了爱因斯坦的名言，'我们能体验到的最美丽的东西就是神秘。它是所有真正艺术和科学的源泉。

更多信息：Md Shafayat Hossain 等人，拓扑铰链模式的量子输运响应，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02388-1