搜索正在進(jìn)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(gè)目標(biāo)是利用材料的量子特性進(jìn)行通信，這超出了傳統(tǒng)電子學(xué)所能提供的范圍。拓?fù)浣^緣體(主要充當(dāng)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?fù)洳牧系膹?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(shí)驗(yàn)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(jí)物理學(xué)家。“我們?cè)噲D了解這些拓?fù)浣^緣子，因?yàn)樗鼈兙哂泻芏酀撛诘膽?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(jìn)一步，將這些電子與磁性耦合會(huì)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(dāng)表面附近有磁性時(shí)，由于拓?fù)浣^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(huì)發(fā)生。” “如果我們能找到具有自身固有磁性的拓?fù)浣^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(píng)論快報(bào)》的編輯建議中強(qiáng)調(diào)的一項(xiàng)新研究中，描述了這種磁性拓?fù)浣^緣子的古怪行為。該論文包括實(shí)驗(yàn)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(duì)于表面磁性是否存在尚無定論。

但是當(dāng)物理學(xué)家們測(cè)量表面電子對(duì)磁場(chǎng)的敏感性時(shí)，只有兩個(gè)觀察到的電子狀態(tài)之一表現(xiàn)出預(yù)期的行為。另一個(gè)表面狀態(tài)，預(yù)計(jì)會(huì)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(jìn)行了非常仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)??，這使他能夠觀察表面區(qū)域的活動(dòng)并識(shí)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?fù)涮匦浴?rdquo;他說。“前者對(duì)磁性很敏感，這證明了磁性確實(shí)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(cè)量

科學(xué)家們使用各種類型的光發(fā)射光譜法對(duì)材料進(jìn)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(cè)器中進(jìn)行測(cè)量。

Nevola解釋說：“對(duì)于我們的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，我們使用了一個(gè)額外的紅外激光脈沖，使樣品稍稍有一點(diǎn)動(dòng)動(dòng)，即可使一些電子在周圍移動(dòng)。” “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(shí)間尺度(皮秒)內(nèi)，您可以進(jìn)行測(cè)量以查看電子態(tài)如何響應(yīng)地變化。”

激發(fā)電子的能級(jí)圖顯示了兩個(gè)不同的表面帶，每個(gè)表面帶顯示獨(dú)立的分支，每個(gè)分支中的電子具有相反的自旋。預(yù)計(jì)這兩個(gè)頻帶分別代表兩個(gè)電子狀態(tài)之一，它們會(huì)對(duì)磁性的存在做出響應(yīng)。

為了測(cè)試這些表面電子是否確實(shí)對(duì)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?fù)潆娮訝顟B(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(kuò)展到其表面電子。

但是，科學(xué)家研究的“拓?fù)?rdquo;電子狀態(tài)沒有顯示出對(duì)磁性的這種敏感性-沒有間隙。

約翰遜說：“這帶來了一個(gè)問號(hào)。”

約翰遜繼續(xù)說：“這些是我們希望能夠理解和設(shè)計(jì)的特性，就像我們?yōu)楦鞣N技術(shù)設(shè)計(jì)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(dāng)前在半導(dǎo)體器件中使用正負(fù)電荷來編碼計(jì)算機(jī)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(gè)。這將極大地?cái)U(kuò)展以新的強(qiáng)大方式對(duì)信息進(jìn)行編碼的潛力。

約翰遜說：“關(guān)于磁性拓?fù)浣^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(tuán)隊(duì)繼續(xù)尋找新的物質(zhì)狀態(tài)和對(duì)量子世界的進(jìn)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。