在砷表面发现前所未见的量子混合态

物理学家刚刚发现了一些没人预料到的东西,潜伏在砷晶体的表面。

在对量子拓扑学(粒子的波状行为与几何数学相结合)进行研究时,一个研究小组发现了两种量子态的奇怪混合体,每种量子态都描述了不同的电流方式。

“这个发现完全出乎意料,”物理学家 M. Zahid Hasan 说普林斯顿大学。“在它被观测到之前,没有人在理论上预测到它。

拓扑学在理解材料的行为方面变得越来越重要,这些材料只能用波状特性来描述,称为量子物质.拓扑学关注结构的几何形状,这些结构在弯曲或翘曲时不会有效改变(但如果它们被破坏或刺穿,则可能会改变),拓扑学有可能以多种方式影响材料的量子活动。

很多研究都涉及以铋为碱的化合物,因为铋是高效拓扑绝缘体– 一种材料,其外层充当活动导体,内部充当绝缘体。这意味着里面的电子是不动的,但表面和边缘的电子可以自由移动。

常用于半导体材料,砷也可以充当拓扑绝缘体.包括哈桑和他的团队在内的物理学家一直在拓扑绝缘体中寻找新的量子态,特别是那些可以在室温下工作的量子态。

铋基材料提供了许多见解,但它们需要高温,并且合成和制备很复杂。相比之下,砷可以以比铋更清洁的形式生长,并且更易于制备。因此,研究人员生长了灰砷,具有金属外观,并施加磁场。

然后,他们使用扫描隧道显微镜(STM)和光发射光谱(测量电子的能量状态)探测样品,前者在亚原子尺度上产生图像,后者测量电子的能量状态。

他们发现表面状态– 沿着某些拓扑绝缘体的“无间隙”表面流动的电子态 – 这是正常的。但没人预料到他们还发现了什么——边缘状态它们存在于一种完全不同的拓扑绝缘体的边界上,并且以前从未与表面状态并排出现过。

“我们很惊讶,”物理学家沙法亚特·侯赛因(Shafayat Hossain)说普林斯顿大学。“灰砷应该只有表面状态。但是当我们检查原子阶跃边缘时,我们也发现了漂亮的导电边缘模式。

他们只能得出结论,他们所观察到的是一种以前从未见过的混合状态。

“通常,我们认为材料的体带结构属于几种不同的拓扑类别之一,每个拓扑类别都与特定类型的边界状态相关联,”物理学家David Hsieh说加州理工学院,他没有参与这项研究。

“这项工作表明,某些材料可以同时分为两类。最有趣的是,从这两种拓扑结构中出现的边界态可以相互作用并重建为一种新的量子态,而不仅仅是其各部分的叠加。

这一发现可以解锁一种新的量子材料,这反过来又可以推进量子物理学研究,以及诸如量子计算.

“我们设想,具有独特拓扑结构的砷可以作为类似水平的新平台,用于开发目前无法通过现有平台获得的新型拓扑材料和量子器件。”哈桑 说.

“材料科学和新物理学的激动人心的新前沿等待着您!”

该研究已发表在自然界.

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