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为更节能量子材料研发奠定基础 拓扑绝缘体内奇异量子效应室温下首现

admin2022-10-2810

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  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。

  研究人员相信,这一突破将为下一代量子技术的发展和应用奠定基础,也将加速更优异量子材料的开发。未来他们计划确定能否在室温下在其他拓扑材料内发现同样的量子效应,也希望在更高温度下开展此类实验。

【编辑:邵婉云】
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