拓扑绝缘体内奇异量子效应室温下首现

科技日报北京10月27日电 （记者刘霞）据《自然·材料》杂志10月封面文章，美国科学家在研究一种铋基拓扑材料时，首次在室温下观察到了拓扑绝缘体内的独特量子效应，有望为下一代量子技术，如能效更高的自旋电子技术的发展奠定基础，也将加速更高效且更“绿色”量子材料的研发。

拓扑绝缘体是一种特殊的材料，内部的电子不能自由移动，因此不导电，是绝缘体，但边缘的电子可以自由移动，这意味着这些电子可导电。此外由于拓扑结构，沿边缘流动的电子不会受到缺陷或变形的阻碍，因此这种材料不仅有可能改进现有技术，还能通过探测量子电子特性，加深人们对物质本身的理解。

但迄今科学家们一直很难用这些材料制造功能器件，因为较高的温度会产生“热噪音”。温度升高，原子剧烈振动，从而破坏精细的量子系统，使量子态崩溃。特别是在拓扑绝缘体内，较高温度会造成绝缘体表面的电子侵入绝缘体内部，导致那里的电子开始传导，从而稀释或破坏特殊的量子效应。解决方法是将这些实验置于绝对零度（零下237.15摄氏度）附近，但创建和维护超低温环境成本高且会消耗大量能量。

在最新研究中，普林斯顿大学扎希德·哈桑等人制造出了一种由溴化铋制成的新型拓扑绝缘体，这是一种无机晶体化合物，有时用于水处理和化学分析。研究发现，这一拓扑绝缘体的绝缘带隙超过200毫电子伏，足以克服“热噪音”，也不会破坏自旋轨道耦合效应和带反转拓扑。当通过亚原子分辨率扫描隧道显微镜观察时，研究人员观察到清晰的量子自旋霍尔边缘态，这是只在拓扑系统内存在的重要量子特性之一。