在砷表面發(fā)現(xiàn)前所未見的量子混合態(tài)
物理學(xué)家剛剛發(fā)現(xiàn)了一些沒人預(yù)料到的東西,潛伏在砷晶體的表面。
在對量子拓?fù)鋵W(xué)(粒子的波狀行為與幾何數(shù)學(xué)相結(jié)合)進(jìn)行研究時,一個研究小組發(fā)現(xiàn)了兩種量子態(tài)的奇怪混合體,每種量子態(tài)都描述了不同的電流方式。
“這個發(fā)現(xiàn)完全出乎意料,”物理學(xué)家 M. Zahid Hasan 說普林斯頓大學(xué)。“在它被觀測到之前,沒有人在理論上預(yù)測到它。
拓?fù)鋵W(xué)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(zhì).拓?fù)鋵W(xué)關(guān)注結(jié)構(gòu)的幾何形狀,這些結(jié)構(gòu)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?fù)鋵W(xué)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?fù)浣^緣體– 一種材料,其外層充當(dāng)活動導(dǎo)體,內(nèi)部充當(dāng)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(dǎo)體材料,砷也可以充當(dāng)拓?fù)浣^緣體.包括哈桑和他的團(tuán)隊在內(nèi)的物理學(xué)家一直在拓?fù)浣^緣體中尋找新的量子態(tài),特別是那些可以在室溫下工作的量子態(tài)。
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(fù)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(fā)射光譜(測量電子的能量狀態(tài))探測樣品,前者在亞原子尺度上產(chǎn)生圖像,后者測量電子的能量狀態(tài)。
他們發(fā)現(xiàn)表面狀態(tài)– 沿著某些拓?fù)浣^緣體的“無間隙”表面流動的電子態(tài) – 這是正常的。但沒人預(yù)料到他們還發(fā)現(xiàn)了什么——邊緣狀態(tài)它們存在于一種完全不同的拓?fù)浣^緣體的邊界上,并且以前從未與表面狀態(tài)并排出現(xiàn)過。
“我們很驚訝,”物理學(xué)家沙法亞特·侯賽因(Shafayat Hossain)說普林斯頓大學(xué)?!盎疑閼?yīng)該只有表面狀態(tài)。但是當(dāng)我們檢查原子階躍邊緣時,我們也發(fā)現(xiàn)了漂亮的導(dǎo)電邊緣模式。
他們只能得出結(jié)論,他們所觀察到的是一種以前從未見過的混合狀態(tài)。
“通常,我們認(rèn)為材料的體帶結(jié)構(gòu)屬于幾種不同的拓?fù)漕悇e之一,每個拓?fù)漕悇e都與特定類型的邊界狀態(tài)相關(guān)聯(lián),”物理學(xué)家David Hsieh說加州理工學(xué)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的邊界態(tài)可以相互作用并重建為一種新的量子態(tài),而不僅僅是其各部分的疊加。
這一發(fā)現(xiàn)可以解鎖一種新的量子材料,這反過來又可以推進(jìn)量子物理學(xué)研究,以及諸如量子計算.
“我們設(shè)想,具有獨特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的砷可以作為類似水平的新平臺,用于開發(fā)目前無法通過現(xiàn)有平臺獲得的新型拓?fù)洳牧虾土孔悠骷??!?a>哈桑 說.
“材料科學(xué)和新物理學(xué)的激動人心的新前沿等待著您!”
該研究已發(fā)表在自然界.
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