搜索正在進行中，以發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)狀態(tài)，并可能發(fā)現(xiàn)編碼，處理和傳輸信息的新方法。一個目標是利用材料的量子特性進行通信，這超出了傳統(tǒng)電子學(xué)所能提供的范圍。拓撲絕緣體(主要充當絕緣體但在其表面上承載電流的材料)提供了誘人的可能性。

彼得·約翰遜說：“探索拓撲材料的復(fù)雜性，以及諸如磁性和超導(dǎo)性等其他有趣的新興現(xiàn)象，是美國能源部布魯克海文國家實驗室材料科學(xué)界關(guān)注的最令人興奮和最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一。”是位于布魯克海文的凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)系的高級物理學(xué)家。“我們試圖了解這些拓撲絕緣子，因為它們具有很多潛在的應(yīng)用，特別是在量子信息科學(xué)領(lǐng)域，這是該部門的重要新領(lǐng)域。”

例如，具有這種分離的絕緣體/導(dǎo)體特性的材料在其表面電子的能量特征中表現(xiàn)出具有相反“自旋”的分離。可以在“自旋電子”設(shè)備中利用此量子屬性來編碼和傳輸信息。更進一步，將這些電子與磁性耦合會導(dǎo)致新穎而令人興奮的現(xiàn)象。

與約翰遜一起工作的博士后研究員丹·內(nèi)夫拉說：“當表面附近有磁性時，由于拓撲絕緣體與磁性的耦合而產(chǎn)生的其他奇特的物質(zhì)狀態(tài)也會發(fā)生。” “如果我們能找到具有自身固有磁性的拓撲絕緣子，那么我們應(yīng)該能夠在特定方向上有效地傳輸特定自旋的電子。”

內(nèi)夫拉·約翰遜(Nevola，Johnson)及其合著者在剛剛發(fā)表并作為《物理評論快報》的編輯建議中強調(diào)的一項新研究中，描述了這種磁性拓撲絕緣子的古怪行為。該論文包括實驗證據(jù)，表明碲化錳鉍(MnBi2Te4)的內(nèi)在磁性也延伸到其導(dǎo)電表面上的電子。先前的研究對于表面磁性是否存在尚無定論。

但是當物理學(xué)家們測量表面電子對磁場的敏感性時，只有兩個觀察到的電子狀態(tài)之一表現(xiàn)出預(yù)期的行為。另一個表面狀態(tài)，預(yù)計會產(chǎn)生較大的響應(yīng)，就像沒有磁性一樣。

“表面的磁性不同嗎?還是我們只是不了解某些奇特的東西?” 內(nèi)華拉說。

約翰遜傾向于異乎尋常的物理學(xué)解釋：“丹進行了非常仔細的實驗??，這使他能夠觀察表面區(qū)域的活動并識別該表面上的兩種不同的電子狀態(tài)，一種可能存在于任何金屬表面上，而另一種可以反射。該材料的拓撲特性。”他說。“前者對磁性很敏感，這證明了磁性確實存在于表面中。但是，我們期望更敏感的另一種則根本沒有任何敏感性。因此，必定存在一些奇異的物理學(xué)! ”

測量

科學(xué)家們使用各種類型的光發(fā)射光譜法對材料進行了研究，其中紫外線激光脈沖發(fā)出的光將電子從材料表面散發(fā)出來，敲擊到檢測器中進行測量。

Nevola解釋說：“對于我們的一項實驗，我們使用了一個額外的紅外激光脈沖，使樣品稍稍有一點動動，即可使一些電子在周圍移動。” “它需要一些電子并將它們(在能量中)激發(fā)成導(dǎo)電電子。然后，在非常短的時間尺度(皮秒)內(nèi)，您可以進行測量以查看電子態(tài)如何響應(yīng)地變化。”

激發(fā)電子的能級圖顯示了兩個不同的表面帶，每個表面帶顯示獨立的分支，每個分支中的電子具有相反的自旋。預(yù)計這兩個頻帶分別代表兩個電子狀態(tài)之一，它們會對磁性的存在做出響應(yīng)。

為了測試這些表面電子是否確實對磁性敏感，科學(xué)家將樣品冷卻到25開爾文，使其固有的磁性得以顯現(xiàn)。但是，只有在非拓撲電子狀態(tài)下，他們才能在頻譜的預(yù)期部分中看到“缺口”。

內(nèi)夫拉說：“在這樣的間隙內(nèi)，電子被禁止存在，因此它們從光譜的那部分消失代表了間隙的特征。”

觀察到在規(guī)則表面狀態(tài)下出現(xiàn)的間隙是磁敏性的確定證據(jù)，并且證明了這種特殊材料的主體固有的磁性擴展到其表面電子。

但是，科學(xué)家研究的“拓撲”電子狀態(tài)沒有顯示出對磁性的這種敏感性-沒有間隙。

約翰遜說：“這帶來了一個問號。”

約翰遜繼續(xù)說：“這些是我們希望能夠理解和設(shè)計的特性，就像我們?yōu)楦鞣N技術(shù)設(shè)計半導(dǎo)體的特性一樣。”

例如，在自旋電子學(xué)中，其想法是使用不同的自旋狀態(tài)以當前在半導(dǎo)體器件中使用正負電荷來編碼計算機代碼的“位”(1和0)的方式來編碼信息。但是自旋編碼的量子位或量子位具有更多的可能狀態(tài)，而不僅僅是兩個。這將極大地擴展以新的強大方式對信息進行編碼的潛力。

約翰遜說：“關(guān)于磁性拓撲絕緣子的一切似乎都適用于這種技術(shù)應(yīng)用，但是這種特殊的材料并不完全遵守規(guī)則。”

因此，現(xiàn)在，隨著團隊繼續(xù)尋找新的物質(zhì)狀態(tài)和對量子世界的進一步見解，現(xiàn)在有一種新的緊迫性來解釋這種特殊材料的古怪的量子行為。