科学家在室温下发现了奇异的量子态

诸平

Researchers at Princeton found that a material known as a topological insulator, made from the elements bismuth and bromine, exhibit specialized quantum behaviors normally seen only under extreme experimental conditions of high pressures and temperatures near absolute zero. Credit: Shafayat Hossain and M. Zahid Hasan of Princeton University

据美国普林斯顿大学（Princeton University）2022年10月26日报道，多国科学家合作在室温下发现了奇异的量子态（Scientists discover exotic quantum state at room temperature）。

多国物理学家合作，首次在室温下在拓扑绝缘体(topological insulator)中观察到新的量子效应。这一突破的相关研究结果于2022年7月14日已经在《自然材料》（Nature Materials）杂化网站发表——Nana Shumiya, Md Shafayat Hossain, Jia-Xin Yin, Zhiwei Wang, Maksim Litskevich, Chiho Yoon, Yongkai Li, Ying Yang, Yu-Xiao Jiang, Guangming Cheng, Yen-Chuan Lin, Qi Zhang, Zi-Jia Cheng, Tyler A. Cochran, Daniel Multer, Xian P. Yang, Brian Casas, Tay-Rong Chang, Titus Neupert, Zhujun Yuan, Shuang Jia, Hsin Lin, Nan Yao, Luis Balicas, Fan Zhang, Yugui Yao, M. Zahid Hasan. Evidence of a room-temperature quantum spin Hall edge state in a higher-order topological insulator. Nature Materials, 2022, 21: 1111–1115. DOI: 10.1038/s41563-022-01304-3. Published: 14 July 2022. https://doi.org/10.1038/s41563-022-01304-3. 此文作为该杂志10月刊的封面文章，其中美国、中国、韩国以及瑞士的科学家们合作探索了一种基于元素铋的拓扑材料。

参与此项研究的除了来自美国普林斯顿大学的研究人员之外，还有来自美国德州大学达拉斯分校（University of Texas at Dallas, Richardson, TX, USA）、美国劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA）、美国橡树岭量子科学中心（Quantum Science Center, Oak Ridge, USA）和美国佛罗里达州塔拉哈西国家高磁场实验室（National High Magnetic Field Laboratory, Tallahassee, FL, USA）；中国北京理工大学（Beijing Institute of Technology）、北京大学（Peking University）、中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences）、北京量子信息科学研究院（Beijing Academy of Quantum Information Sciences）、台湾大学（Taiwan University）、台湾成功大学（Cheng Kung University）、台湾量子前沿研究与技术中心（Center for Quantum Frontiers of Research and Technology简称QFort）、台湾理论科学中心（Taiwan Center for Theoretical Sciences）、台北“中央研究院”（Academia Sinica）；韩国首尔国立大学（Seoul National University, Korea）以及瑞士苏黎世大学（University of Zürich, Switzerland）的研究人员。

十多年来，科学家们一直在使用拓扑绝缘体来证明量子效应（quantum effects），但这次实验是第一次在室温下观察到这些效应。通常，在拓扑绝缘体中诱导和观察量子态需要绝对零度附近的温度，也就是-459 ℉或者-273 ℃。

这一发现为高效量子技术的发展开辟了一系列新的可能性，比如基于自旋的电子技术，它可能会取代许多现有的电子系统，以获得更高的能源效率。

近年来，物质拓扑态的研究引起了物理学家和工程师的广泛关注，是目前国际上兴趣和研究的焦点。这一研究领域结合了量子物理学（quantum physics）和拓扑学（topology），拓扑学是理论数学的一个分支，研究可以变形但本质上不会改变的几何性质。

领导这项研究的普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授（Eugene Higgins Professor of Physics at Princeton University）扎希德·哈桑(M. Zahid Hasan)说：“无论是从基础物理学的角度，还是从寻找下一代量子工程和纳米技术的潜在应用方面，物质的新颖拓扑特性已经成为现代物理学中最受追捧的宝藏之一。”

扎希德·哈桑补充说:“这项工作是由我们在普林斯顿实验室的多项创新实验进展促成的。”

用于研究量子拓扑奥秘的主要器件称为拓扑绝缘体（topological insulator）。这是一个独特的装置，在它的内部充当绝缘体，这意味着里面的电子不能自由移动，因此不导电。

然而，设备边缘的电子可以自由移动，这意味着它们是导电的。此外，由于拓扑结构的特殊性质，沿边缘流动的电子不受任何缺陷或变形的阻碍。这个装置不仅有改进技术的潜力，而且还可以通过探测量子电子特性来加深对物质本身的理解。

然而，到目前为止，在将此材料和器件应用于功能性器件的探索中一直存在一个主要的障碍。扎希德·哈桑说：“人们对拓扑材料有很多兴趣，人们经常谈论它们在实际应用方面的巨大潜力。但在一些宏观量子拓扑效应能够在室温下表现出来之前，这些应用可能仍然无法实现。”

这是因为环境或高温会产生物理学家所说的“热噪声（thermal noise）”，即温度上升导致原子开始剧烈振动。这种作用可以破坏脆弱的量子系统，从而使量子态崩溃。特别是在拓扑绝缘体中，这些较高的温度会造成绝缘体表面的电子侵入绝缘体内部的情况，并导致那里的电子也开始导电，从而稀释或打破特殊的量子效应。

解决这个问题的方法是将这些实验置于异常寒冷的温度下，通常是在绝对零度或接近绝对零度的温度。在这种极低的温度下，原子和亚原子粒子停止振动，因此更容易操纵。然而，对于许多应用程序来说，创建和维护超冷环境是不切实际的;不仅价格昂贵，体积庞大，而且需要消耗大量能源。

但扎希德·哈桑和他的团队开发了一种创新的方法来绕过这个问题。基于他们在拓扑材料方面的经验，并与多国研究者合作，他们制作了一种由溴化铋(化学式为α-Bi₄Br₄)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。

曾经在普林斯顿大学获得博士学位、现在是一名电气和计算机工程的博士后助理研究员、也是该论文的三位共同第一作者之一的娜娜·舒米亚（Nana Shumiya）说：“我们在没有巨大压力或超高磁场的情况下发现了它们，这真是太棒了，从而使开发下一代量子技术的材料更容易获得。”

娜娜·舒米亚补充说:“我相信我们的发现将显著推进量子前沿。”

这一发现的根源在于量子霍尔效应（quantum Hall effect）的工作原理，量子霍尔效应是一种拓扑效应（topological effect），也是1985年诺贝尔物理学奖（The Nobel Prize in Physics 1985）的主题。从那时起，人们对拓扑相进行了深入的研究。许多具有拓扑电子结构的新量子材料已经被发现，包括拓扑绝缘体、拓扑超导体（topological superconductors）、拓扑磁体（topological magnets）和韦尔半金属（Weyl semimetals）。

在实验发现迅速取得进展的同时，理论发现也在取得进展。关于二维(2D)拓扑绝缘体的重要理论概念是由普林斯顿大学的谢尔曼·费尔柴尔德大学物理学教授（Sherman Fairchild University Professor of Physics at Princeton）F.邓肯·霍尔丹（F. Duncan M. Haldane）于1988年提出的。F.邓肯·霍尔丹2016年10月4日，获得了2016诺贝尔物理学奖（The Nobel Prize in Physics 2016），以表彰他在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。获奖理由是“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”，如一种二维拓扑绝缘体。随后的理论发展表明，基于电子的自旋-轨道相互作用，拓扑绝缘体可以采用霍尔丹模型（Haldane's model）的两个副本的形式。

扎希德·哈桑和他的团队在2007年首次发现三维拓扑绝缘体的例子后，对一种也可以在室温下工作的拓扑量子态进行了长达十年的研究。最近，他们在一种能够在室温下工作的戈薇晶格磁铁（kagome lattice magnet）中找到了霍尔丹猜想（Haldane's conjecture）的材料解决方案，这种磁铁也表现出了所需的量子化。

扎希德·哈桑说：“戈薇晶格拓扑绝缘体（kagome lattice topological insulators）可以设计成具有相对论性带交叉（relativistic band crossings）和强电子-电子相互作用。这两者对于新磁性都是必不可少的。因此，我们意识到戈薇磁铁是一个很有前途的系统，可以在其中搜索拓扑磁铁相，因为它们就像我们十多年前发现和研究的拓扑绝缘体。”

扎希德·哈桑说：“适当的原子化学和结构设计与第一性原理理论相结合，是使拓扑绝缘体的推测预测在高温环境下实现的关键步骤。有数百种拓扑材料，我们既需要直觉、经验、特定材料的计算，也需要大量的实验努力，才能最终找到适合进行深入探索的材料。这花费了我们长达十年的时间来研究许多铋基材料。”

绝缘体，像半导体一样，有所谓的绝缘间隙或带间隙。这些本质上是轨道电子之间的“屏障”，也就是电子不能进入的“无人区（no-man's-land）”。这些带间隙非常重要，因为除其他外，它们提供了克服热噪声对实现量子态的限制的关键。

如果带间隙的宽度超过热噪声的宽度，它们就会这样做。但是带间隙太大可能会破坏电子的自旋-轨道耦合，即电子自旋和绕原子核轨道运动之间的相互作用。当这种破坏发生时，拓扑量子态就会崩溃。因此，诱导和维持量子效应的诀窍是在大带间隙和自旋-轨道耦合效应之间找到平衡。

根据合作者和合著者张帆（Fan Zhang音译）和姚玉贵（Yugui Yao音译）的提议，扎希德·哈桑和他的团队研究了溴化铋材料家族。但是研究小组无法在这些材料中观察到韦尔现象（Weyl phenomen）。扎希德·哈桑和他的团队发现，与他们之前研究的基于铋-锑的拓扑绝缘体(Bi-Sb合金)相比，溴化铋绝缘体具有更理想的性能。

它有超过200 meV(“毫电子伏特”)的大绝缘间隙。这足够大，可以克服热噪声，但又足够小，不会破坏自旋-轨道耦合效应和带反转拓扑（band inversion topology）。

扎希德·哈桑说：“在这种情况下，在我们的实验中，我们发现了自旋-轨道耦合效应和大带间隙宽度之间的平衡。我们发现有一个‘最有效点（sweet spot）’，在那里你可以有相对较大的自旋-轨道耦合，创造一个拓扑扭曲，同时提高带间隙，而不破坏它。这有点像我们已经研究了很长时间的铋基材料的平衡点。”

当研究人员通过亚原子分辨率扫描隧道显微镜（sub-atomic resolution scanning tunneling microscope）观察实验过程时，他们知道他们已经达到了目标。这种独特的设备使用了一种被称为“量子隧道（quantum tunneling）”的特性，电子在此显微镜锋利的金属单原子尖端和样品之间形成漏斗。

此显微镜利用这种隧穿电流而不是光来观察原子尺度上的电子世界。研究人员观察到一个清晰的量子自旋霍尔边缘态（Hall edge state），这是拓扑系统中唯一存在的重要性质之一。这需要额外的新仪器来唯一隔离拓扑效应。

扎希德·哈桑说:“我们第一次证明了有一类铋基拓扑材料，其拓扑结构可以在室温下存活。我们对我们的结果非常有信心。”

这一发现是多年来来之不易的实验工作的结果，需要在实验中引入更多新的仪器思想。扎希德·哈桑是实验量子拓扑材料领域的领先研究人员，拥有超过15年的新颖实验方法经验。事实上，他也是该领域早期的先驱研究人员之一。

例如，在2005~2007年期间，他和他的研究团队使用新的实验方法发现了三维铋锑体固体（three-dimensional bismuth-antimony bulk solid）、半导体合金（semiconducting alloy）和相关拓扑狄拉克材料（Dirac materials）中的拓扑秩序。这导致了拓扑磁性材料（topological magnetic materials）的发现。在2014~2015年期间，他们发现了一类新的拓扑材料，称为磁性韦尔半金属（magnetic Weyl semimetals）。

研究人员认为，这一突破将为量子技术的未来研究和应用打开一扇门。

扎希德·哈桑实验室的博士后助理研究员、该研究的另一位共同第一作者谢菲耶特·侯赛因（Shafayat Hossain）说:“我们相信这一发现可能是纳米技术未来发展的起点。在拓扑技术中有太多的可能性在等待着我们，而找到合适的材料和新的仪器是实现这一目标的关键之一。”

扎希德·哈桑和他的团队认为，这一突破将对下一代量子技术研究领域产生特别影响，将加快更高效、更“绿色”量子材料的发展。

扎希德·哈桑说，目前，该小组的理论和实验重点集中在两个方向。

首先，研究人员想要确定哪些其他拓扑材料可以在室温下工作，重要的是，为其他科学家提供工具和新的仪器方法，以确定在室温和高温下工作的材料。

其次，研究人员希望继续深入量子世界，因为这一发现使在更高温度下进行实验成为可能。

这些研究将需要开发另一套新的仪器和技术，以充分利用这些材料的巨大潜力。扎希德·哈桑说:“我看到了一个巨大的机会，可以用我们的新仪器进一步深入探索奇异而复杂的量子现象，追踪宏观量子态中更精细的细节。但谁知道我们未来会发现什么?”

扎希德·哈桑补充说:“我们的研究在展示拓扑材料（topological materials）在节能应用方面的潜力方面迈出了真正的一步。我们在这个实验中所做的就是播下一颗种子，鼓励其他科学家和工程师有更大的梦想。”

该研究得到了美国能源部（US Department of Energy）、科学办公室（Office of Science）、国家量子信息科学研究中心（National Quantum Information Science Research Centers）、量子科学中心（Quantum Science Center）、普林斯顿大学、戈登和贝蒂·摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation：GBMF9461, GBMF4547）、美国能源部基础能源科学项目(US DOE under the Basic Energy Sciences program, grant number DOE/BES DE-FG-02-05ER46200; DE-SC0002613)、美国国家科学基金会材料研究科学与工程中心(National Science Foundation Materials Research Science and Engineering Center: DMR-2011750)、美国国家科学基金会（National Science Foundation under grant nos. DMR-1921581, DMR-1945351 and DMR-2105139）、美国陆军研究办公室（Army Research Office under grant no. W911NF-18-1-0416）、欧盟“地平线2020”研究和创新计划(European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme: ERC-StG-Neupert-757867-PARATOP)、中国国家重点研发计划（ational Key Research and Development Program of China: 2020YFA0308800）、中国自然科学基金会（National Science Foundation of China Grants No. 92065109, No. 11734003, No. 12061131002, No. 12141002）、中国科学院战略重点研究项目(Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences，Grants No. XDB30000000, XDB28000000)等研究项目或者研究计划的支持和资助。

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Progress and prospects in magnetic topological materials

Abstract

Room-temperature realization of macroscopic quantum phases is one of the major pursuits in fundamental physics^1,2. The quantum spin Hall phase^3,4,5,6 is a topological quantum phase that features a two-dimensional insulating bulk and a helical edge state. Here we use vector magnetic field and variable temperature based scanning tunnelling microscopy to provide micro-spectroscopic evidence for a room-temperature quantum spin Hall edge state on the surface of the higher-order topological insulator Bi₄Br₄. We find that the atomically resolved lattice exhibits a large insulating gap of over 200 meV, and an atomically sharp monolayer step edge hosts an in-gap gapless state, suggesting topological bulk–boundary correspondence. An external magnetic field can gap the edge state, consistent with the time-reversal symmetry protection inherent in the underlying band topology. We further identify the geometrical hybridization of such edge states, which not only supports the Z₂ topology of the quantum spin Hall state but also visualizes the building blocks of the higher-order topological insulator phase. Our results further encourage the exploration of high-temperature transport quantization of the putative topological phase reported here.