普林斯顿大学的研究人员发现，由铋和溴组成的拓扑绝缘体显示出特殊的量子行为，通常只有在极端的实验环境下才能检测到，比如高压和接近绝对零度的温度。
这一发现为开发高效的量子技术提供了新的前景，例如基于自旋的电子技术，这些技术在能源效率方面有潜力超过许多现有的电子系统。
拓扑绝缘体是研究量子拓扑奥秘的基本器件元件。该装置的内部起到绝缘体的作用，阻止电子自由移动和导电。
另一方面，该器件的边缘有自由移动的电子，这表明它们是导电的。此外，由于拓扑结构的独特性质，沿边缘运动的电子不受任何故障或变形的影响。
“然而，到目前为止，在将材料和设备应用于功能设备的探索中一直存在一个主要的绊脚石。人们对拓扑材料很感兴趣，经常谈论它们在实际应用中的巨大潜力。尽管如此，这些应用可能仍然无法实现，直到一些宏观量子拓扑效应可以在室温下表现出来，”普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授M. Zahid Hasan说，他领导了这项研究。
这与一种被称为“热噪声”的现象有关，这是一种导致原子剧烈振动的温度峰值。这可以通过扰乱微妙的量子系统来瓦解量子态。
这可以通过将此类测试置于低温(通常是绝对零度或接近绝对零度)下来防止。在非常低的温度下，原子和亚原子粒子停止振动，使它们更容易控制。不幸的是，构建和维护超冷环境对于许多应用程序来说是不切实际的。
这一领域的科学家设计了一种新的解决方案来应对这一挑战。他们用溴化铋(化学式-Bi4Br4)制成了一种新的拓扑绝缘体。它是一种无机结晶化合物，有时用于水处理和化学分析。
哈桑和他的同事们研究了溴化铋家族的化学物质。他们发现，溴化铋绝缘体具有比先前基于铋锑的拓扑绝缘体(Bi-Sb合金)更有吸引力的特性。
它具有超过200 meV(“毫电子伏”)的显著绝缘间隙。这足以克服热噪声，同时又足够小，不会干扰自旋-轨道耦合效应和带反演拓扑。
“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隙宽度之间的平衡。我们发现了一个“最佳点”，在那里你可以有一个相对较大的自旋-轨道耦合来产生拓扑扭曲，并在不破坏它的情况下提高带隙。这就像我们研究了很长时间的铋基材料的一个平衡点，”哈桑说。
研究人员通过目击一场地震证实了他们的发现量子自旋霍尔边缘态，这是这些拓扑系统所特有的特征。根据研究人员的说法，这一发现对于进一步发展量子技术非常重要，比如自旋电子学，这是一门新兴的学科，它以比现有电子学更高的效率存储电子自旋中的数据。
“这太棒了，我们发现它们没有巨大的压力或超高的磁场，从而使材料更容易用于开发下一代量子技术，”该研究的共同第一作者Nana Shumiya说。“我相信我们的发现将极大地推进量子前沿。”
这项研究发表在该杂志上自然材料．
来源:普林斯顿大学
