科学家首次在室温下观察到拓扑绝缘体中的奇异量子态

许多量子效应只能在极低的温度下产生，这限制了它们在现实世界中的作用。现在，普林斯顿大学的研究人员展示了一种在室温下发生在材料中的奇异量子态。

拓扑绝缘体是一种具有以独特方式传导电子的结构的材料。该材料的大部分是绝缘体，完全阻止电子流过。然而，在其表面和边缘的薄层是高度导电的，允许电子以高效率自由流动。鉴于这些奇怪的特性，拓扑绝缘体可以承载一些耐人寻味的量子态，对构建未来的量子技术可能很有用。

但当然也有一个问题：大多数量子态是非常脆弱的，在面对干扰时就会崩溃。热，或热噪声，是一个主要的触发因素--当材料变暖时，其中的原子会以更高的能量振动，这就破坏了量子态。因此，大多数利用量子效应的实验和技术需要在接近绝对零度的温度下进行，在那里，原子的运动会直接减慢。但这反过来又使这些技术在更广泛的使用中不切实际。

在新的研究中，普林斯顿大学的研究人员找到了一种解决方法，在室温下观察拓扑绝缘体的量子效应。他们选择的材料是一种被称为溴化铋的无机晶体化合物。

这种材料被发现具有恰到好处的带隙，这是一个绝缘的“屏障”，电子无法在其中存在某些能量水平。这个带隙需要足够宽，以防止热噪音，但又不能太宽，以免破坏电子的自旋-轨道耦合效应，这对保持电子的稳定至关重要。溴化铋被发现有一个超过200毫电子伏特的带隙，正好在室温下保持量子状态稳定的“最佳位置”。

研究小组通过观察所谓的量子自旋霍尔边缘状态证实了他们的发现，这是这些拓扑系统所特有的属性。研究人员说，这一突破将有助于推动自旋电子学等量子技术的发展，自旋电子学是一个新兴领域，它以比目前电子产品更高的效率将数据编码在电子的自旋中。

“这实在是太可怕了，我们在没有巨大压力或超高磁场的情况下发现了它们，从而使这些材料更容易用于开发下一代量子技术，”该研究的共同第一作者Nana Shumiya说。“我相信我们的发现将大大推动量子前沿的发展。”

这项研究发表在《自然材料》杂志上。