量子物理学的方法里程碑：拓扑二维材料的快速测试

拓扑二维材料的快速测试。图片来源：Christoph Mäder/Jörg Bandmann，pixelwg

拓扑量子材料被誉为未来技术进步的基石。然而，验证他们的卓越品质一直是一个漫长的过程。

Cluster of Excellence ct.qmat 的研究人员现在已经开发出一种实验技术，可以通过快速测试系统地识别二维拓扑材料。这一突破可能有助于加速这一类蓬勃发展的材料的进展。

他们的研究结果已发表在《物理评论快报》杂志上。

2007年，维尔茨堡-德累斯顿卓越集群ct.qmat（量子物质的复杂性和拓扑学）的创始成员Laurens W. Molenkamp教授提供了拓扑绝缘体（一类新型材料）的第一个实验证明。这些材料之所以脱颖而出，是因为尽管它们的内部表现得像电绝缘体，但它们在没有任何电阻的情况下在其表面上传导电子。

自这一突破性发现以来，全球对这些材料的兴趣激增。这是由于它们在潜在的材料革命中发挥的关键作用以及它们在量子技术中的有前途的应用，例如开发功能强大、节能且不会产生废热的“冷芯片”。

“目前，通过实验检测拓扑绝缘体需要高度复杂的研究。它需要一个庞大的团队和大量的时间来准备材料样品。此外，检测成功从来都不是保证的，“ct.qmat的维尔茨堡发言人Ralph Claessen教授指出。

材料革命的快速测试

但现在，维尔茨堡的一个ct.qmat研究小组设计了一种系统的方法，使用一种简单得多的测量技术，在创纪录的时间内识别二维拓扑量子材料。“从本质上讲，除了有前途的材料样品外，您真正需要的只是特殊的X射线，”维尔茨堡JMU的项目负责人Simon Moser博士解释道。

“所需的光粒子应该是高频和圆偏振的，这意味着它们具有角动量。这可以使用任何同步加速器光源来实现。

“例如，我们的样品在的里雅斯特的Elettra Sincrotrone和位于牛津郡哈威尔科学与创新园区的英国国家同步加速器科学设施Diamond Light Source进行了辐照。

看似简单，其实是拓扑量子材料研究的重大突破。“如果你在同步加速器上固定一个槽，你可以在大约一周内确定一种材料是否是拓扑绝缘体。使用传统方法，这至少需要一篇博士论文，“Moser指出。

二向色光发射的旋转成功

新型快速检测方法的本质在于二向色光发射。材料样品多次暴露在具有不同偏振的高频光下。例如，最初，只有顺时针旋转的电子才会从材料中释放出来。随后，仅释放逆时针旋转的电子。

使用二向色光发射检测电子的不同旋转方向，从而揭示它们的拓扑结构并不是一个新想法。2023 年，来自维尔茨堡的 ct.qmat 团队首次使用这种方法分析了戈薇金属的拓扑结构。

“他们使用圆形光发射来研究戈薇金属。我们专注于方法论，并开发了一种现在总是有效的配方，而不仅仅是偶然的，“Moser在解释他的团队的新方法时说。“我们的快速测试系统地使电子的拓扑结构可见。

由于研究人员在研究二维量子材料茚烯方面有着长期的记录，因此他们还使用这种材料开发了快速测试方法。此外，他们已经将该原理应用于其他材料。最近的一项实验涉及辐照双铋烯样品，数据将很快进行分析。

更多信息：Jonas Erhardt 等人，二维量子材料中轨道角动量的无偏差访问，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.196401

期刊信息： Physical Review Letters