在砷表面發現前所未見的量子混合態

物理學家剛剛發現了一些沒人預料到的東西，潛伏在砷晶體的表面。

在對量子拓撲學（粒子的波狀行為與幾何數學相結合）進行研究時，一個研究小組發現了兩種量子態的奇怪混合體，每種量子態都描述了不同的電流方式。

“這個發現完全出乎意料，”物理學家 M. Zahid Hasan 說普林斯頓大學。“在它被觀測到之前，沒有人在理論上預測到它。

拓撲學在理解材料的行為方面變得越來越重要，這些材料只能用波狀特性來描述，稱為量子物質.拓撲學關注結構的幾何形狀，這些結構在彎曲或翹曲時不會有效改變（但如果它們被破壞或刺穿，則可能會改變），拓撲學有可能以多種方式影響材料的量子活動。

很多研究都涉及以鉍為堿的化合物，因為鉍是高效拓撲絕緣體– 一種材料，其外層充當活動導體，內部充當絕緣體。這意味著里面的電子是不動的，但表面和邊緣的電子可以自由移動。

常用于半導體材料，砷也可以充當拓撲絕緣體.包括哈桑和他的團隊在內的物理學家一直在拓撲絕緣體中尋找新的量子態，特別是那些可以在室溫下工作的量子態。

鉍基材料提供了許多見解，但它們需要高溫，并且合成和制備很復雜。相比之下，砷可以以比鉍更清潔的形式生長，并且更易于制備。因此，研究人員生長了灰砷，具有金屬外觀，并施加磁場。

然后，他們使用掃描隧道顯微鏡（STM）和光發射光譜（測量電子的能量狀態）探測樣品，前者在亞原子尺度上產生圖像，后者測量電子的能量狀態。

他們發現表面狀態– 沿著某些拓撲絕緣體的“無間隙”表面流動的電子態 – 這是正常的。但沒人預料到他們還發現了什么——邊緣狀態它們存在于一種完全不同的拓撲絕緣體的邊界上，并且以前從未與表面狀態并排出現過。

“我們很驚訝，”物理學家沙法亞特·侯賽因（Shafayat Hossain）說普林斯頓大學。“灰砷應該只有表面狀態。但是當我們檢查原子階躍邊緣時，我們也發現了漂亮的導電邊緣模式。

他們只能得出結論，他們所觀察到的是一種以前從未見過的混合狀態。

“通常，我們認為材料的體帶結構屬于幾種不同的拓撲類別之一，每個拓撲類別都與特定類型的邊界狀態相關聯，”物理學家David Hsieh說加州理工學院，他沒有參與這項研究。

“這項工作表明，某些材料可以同時分為兩類。最有趣的是，從這兩種拓撲結構中出現的邊界態可以相互作用并重建為一種新的量子態，而不僅僅是其各部分的疊加。

這一發現可以解鎖一種新的量子材料，這反過來又可以推進量子物理學研究，以及諸如量子計算.

“我們設想，具有獨特拓撲結構的砷可以作為類似水平的新平臺，用于開發目前無法通過現有平臺獲得的新型拓撲材料和量子器件。”哈桑 說.

“材料科學和新物理學的激動人心的新前沿等待著您！”

該研究已發表在自然界.

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