物理學(xué)家在元素固體中發(fā)現(xiàn)了一種新的量子態(tài)

物理學(xué)家在晶體材料中觀察到了一種稱為“混合拓?fù)?rdquo;的新型量子效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)下一代量子科學(xué)和工程的高效材料和技術(shù)開辟了一系列新的可能性。

這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然》雜志上，當(dāng)時(shí)普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，由砷(As)原子組成的元素固體晶體具有一種以前從未觀察到的拓?fù)淞孔有袨?。他們能夠使用掃描隧道顯微鏡(STM)和光電子能譜來探索和成像這種新穎的量子態(tài)，后者是一種用于確定分子和原子中電子相對能量的技術(shù)。

這種狀態(tài)結(jié)合或“混合”了兩種形式的拓?fù)淞孔有袨?mdash;—邊緣態(tài)和表面態(tài)，這是兩種類型的量子二維電子系統(tǒng)。這些已經(jīng)在之前的實(shí)驗(yàn)中觀察到，但從未在同一材料中同時(shí)觀察到，它們混合形成新的物質(zhì)狀態(tài)。

“這一發(fā)現(xiàn)完全出乎意料，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的普林斯頓大學(xué)尤金·希金斯物理學(xué)教授扎希德·哈桑 (M. Zahid Hasan) 說。 “在觀測之前，沒有人在理論上預(yù)測到它。”

近年來，物質(zhì)拓?fù)鋺B(tài)的研究引起了物理學(xué)家和工程師的廣泛關(guān)注，也是目前國際上廣泛關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。該研究領(lǐng)域?qū)⒘孔游锢韺W(xué)與拓?fù)鋵W(xué)相結(jié)合，拓?fù)鋵W(xué)是理論數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，探索可以變形但本質(zhì)上不會改變的幾何特性。

十多年來，科學(xué)家們主要通過制造復(fù)合材料，例如將鉍與硒 (Se) 混合，使用基于鉍 (Bi) 的拓?fù)浣^緣體來演示和探索散裝固體中的奇異量子效應(yīng)。然而，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是首次在砷元素晶體中發(fā)現(xiàn)拓?fù)湫?yīng)。

“無論是從基礎(chǔ)物理學(xué)的角度來看，還是為了尋找下一代量子科學(xué)和工程的潛在應(yīng)用，對物質(zhì)新穎拓?fù)涮匦缘奶剿骱桶l(fā)現(xiàn)已成為現(xiàn)代物理學(xué)中最受歡迎的寶藏之一，”哈桑。 “在元素固體中發(fā)現(xiàn)這種新的拓?fù)錉顟B(tài)是通過我們普林斯頓實(shí)驗(yàn)室的多項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和儀器實(shí)現(xiàn)的。”

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