普林斯顿大学的科学家在砷晶体中发现了一种新的量子态，即“混合拓扑”，它以一种独特的量子行为将边缘态和表面态合并在一起。这一突破性的发现是通过先进的成像技术揭示的，标志着量子材料研究的重大飞跃，对开发新的量子器件和技术具有重要意义。

物理学家在晶体材料中观察到一种称为“混合拓扑”的新型量子效应。这一发现为下一代量子科学与工程的高效材料和技术的发展开辟了新的可能性。

这一发现发表在4月10日的《自然》杂志上，当时普林斯顿大学的科学家们发现，一种由砷原子组成的单质固体晶体，具有一种从未被观察到的拓扑量子行为形式。他们能够使用扫描隧道显微镜（STM）和光谱学来探索和成像这种新的量子态，后者是一种用于确定分子和原子中电子相对能量的技术。

量子态和方法

这种状态结合或“杂交”了两种形式的拓扑量子行为 —— 边缘态和表面态，这是两种类型的量子二维电子系统。这些在以前的实验中已经被观察到，但从来没有同时在同一种物质中混合形成一种新的物质状态。

“这个发现完全出乎意料，”领导这项研究的普林斯顿大学尤金·希金斯（Eugene Higgins）物理学教授扎希德·哈桑（M. Zahid Hasan）说。“在观测到它之前，没有人在理论上预测到它。”

量子材料研究的意义

近年来，物质拓扑态的研究引起了物理学家和工程师的极大关注，目前是国际上许多研究的焦点。这一领域的研究结合了量子物理学和拓扑学 —— 理论数学的一个分支，探索可以变形但本质上不会改变的几何特性。

十多年来，科学家们已经使用铋（Bi）基拓扑绝缘体来展示和探索大块固体中的奇异量子效应，主要是通过制造复合材料，例如将铋与硒（Se）混合。然而，这个实验是第一次在元素砷（As）的晶体中发现拓扑效应。

“寻找和发现物质的新拓扑特性已经成为现代物理学中最受欢迎的宝藏之一，无论是从基础物理学的角度来看，还是在下一代量子科学和工程中寻找潜在的应用，”哈桑说。“在元素固体中发现这种新的拓扑状态，是通过我们普林斯顿实验室的多项创新实验进展和仪器实现的。”

一个基本固体作为一个宝贵的实验平台，用于测试各种拓扑概念。到目前为止，铋是唯一一种拥有丰富拓扑结构的元素，导致了20年的密集研究活动。这部分归因于材料的清洁度和易于合成。然而，目前砷中更丰富的拓扑现象的发现，将有可能为新的和持续的研究方向铺平道路。

“我们第一次证明，类似于不同的相关现象，不同的拓扑顺序也可以相互作用，并产生新的和有趣的量子现象，”哈桑说。

拓扑材料是用于研究量子拓扑奥秘的主要成分。这种装置在内部起到绝缘体的作用，这意味着内部的电子不能自由移动，因此不导电。然而，设备边缘的电子可以自由移动，这意味着它们是导电的。此外，由于拓扑结构的特殊性质，沿着边缘流动的电子不会受到任何缺陷或变形的阻碍。这种类型的设备不仅具有改进技术的潜力，而且还可以通过探测量子电子特性来更好地了解物质本身。

哈桑指出，人们对将拓扑材料用于实际应用很感兴趣。但在实现这一目标之前，需要取得两项重要进展。首先，量子拓扑效应必须在更高的温度下表现出来。其次，需要找到能够承载拓扑现象的简单而基本的材料系统（如用于传统电子器件的硅）。

哈桑说：在我们的实验室中，我们在两个方向上都有努力--我们正在寻找更简单、更容易制造的材料系统，在那里可以找到基本的拓扑效应。“我们也在研究如何利用这些效应在房间里生存。

实验背景

这一发现的根源在于量子霍尔效应的工作原理，这是一种拓扑效应，也是1985年诺贝尔物理学奖的主题。从那时起，人们对拓扑相进行了研究，发现了许多具有拓扑电子结构的新型量子材料。最值得注意的是，普林斯顿大学阿瑟·勒格朗·多蒂电气工程名誉教授丹尼尔·崔（Daniel Tsui）因发现分数量子霍尔效应而获得1998年诺贝尔物理学奖。同样，普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授f·邓肯·霍尔丹（F. Duncan Haldane）因拓扑相变和一种二维拓扑绝缘体的理论发现而获得2016年诺贝尔物理学奖。随后的理论发展表明，拓扑绝缘体可以采用基于电子自旋轨道相互作用的霍尔丹模型的两个副本的形式。

哈桑和他的研究小组一直在跟随这些研究人员的脚步，研究拓扑绝缘体的其他方面，并寻找物质的新状态。这使得他们在2007年发现了第一个三维拓扑绝缘体的例子。从那以后，哈桑和他的团队花了十年的时间来寻找一种新的拓扑状态，它的最简单形式也可以在室温下工作。

“合适的原子化学和结构设计与第一性原理理论相结合，是使拓扑绝缘体的推测预测在高温环境中成为现实的关键一步，”哈桑说。“有数百种量子材料，我们需要直觉、经验、特定材料的计算和激烈的实验努力，最终找到合适的材料进行深入探索。这让我们进行了长达十年的研究，研究了许多铋基材料，导致了许多基础发现。”

这个实验

铋基材料至少在原则上能够在高温下承载物质的拓扑状态。但这需要在超高真空条件下制备复杂的材料，因此研究人员决定探索其他几种系统。博士后研究员Shafayat Hossain博士提出了一种由砷制成的晶体，因为它可以以一种比许多铋化合物更清洁的形式生长。

当哈桑和哈桑小组的研究生蒋玉晓（音译）把STM转到砷样品上时，他们得到了一个戏剧性的观察结果 —— 灰色砷，一种具有金属外观的砷，同时具有拓扑表面状态和边缘状态。

“我们很惊讶。灰色砷应该只有表面状态。但是当我们检查原子台阶边缘时，我们也发现了漂亮的导电边缘模式。”

“一个孤立的单层台阶边缘不应该有一个无间隙的边缘模式，”蒋玉晓补充说，他是该研究的第一作者之一。

这是英国伦敦帝国理工学院博士后和凝聚态理论学家弗兰克·辛德勒（Frank Schindler）和阿拉巴马州伯明翰市阿拉巴马大学博士后研究员拉吉布尔·伊斯拉姆（Rajibul Islam）的计算结果。两人都是论文的共同第一作者。

弗兰克·辛德勒说：“一旦在大块样品的顶部放置一个边缘，表面态就会与边缘的间隙态杂交，形成一个无间隙态。”

“这是我们第一次看到这样的杂交，”他补充说。

在物理上，这种阶梯边缘上的无间隙状态既不能单独用于强拓扑绝缘体，也不能单独用于高阶拓扑绝缘体，而只能用于两种量子拓扑都存在的混合材料。这种无间隙状态也不同于强绝缘体和高阶拓扑绝缘体的表面或铰链状态。这意味着普林斯顿团队的实验观察立即指出了一种从未观察到的拓扑状态类型。

加州理工学院物理系主任大卫·谢（David Hsieh）是一名没有参与这项研究的研究员，他指出了这项研究的创新结论。

大卫·谢说：“通常，我们认为材料的体带结构属于几种不同的拓扑类型之一，每种类型都与特定类型的边界状态相关联。这项工作表明，某些材料可以同时分为两类。最有趣的是，从这两种拓扑中出现的边界态可以相互作用并重建成一个新的量子态，而不仅仅是其各部分的叠加。”

研究人员进一步用系统高分辨率角分辨光谱学证实了扫描隧道显微镜的测量结果。

“灰色的砷样品非常干净，我们发现了拓扑表面状态的清晰特征，”哈桑小组的研究生、论文的第一作者之一程梓佳（Zi-Jia Cheng）说，他执行了一些光电测量。

多种实验技术的结合，使研究人员能够探测与混合拓扑状态相关的独特体-表面-边缘对应关系，并证实实验结果。

研究结果的含意

这一发现的影响是双重的。结合拓扑边缘模式和表面态的观察为设计新的拓扑电子输运通道铺平了道路。这可能使新的量子信息科学或量子计算设备的设计成为可能。普林斯顿大学的研究人员证明，拓扑边缘模式只存在于与晶体对称兼容的特定几何构型上，这为设计各种形式的未来纳米器件和基于自旋的电子器件指明了道路。

哈桑说，从更广泛的角度来看，当发现新的材料和性能时，社会会受益。在量子材料中，元素固体作为材料平台的识别，如具有强拓扑结构的锑或具有高阶拓扑结构的铋，导致了新型材料的发展，极大地有利于拓扑材料领域。

哈桑说：“我们设想，具有独特拓扑结构的砷可以作为一个类似水平的新平台，用于开发目前无法通过现有平台访问的新型拓扑材料和量子器件。”

普林斯顿大学的研究小组已经为探索拓扑绝缘体材料设计和建造了超过15年的新实验。例如，在2005年至2007年间，由哈桑领导的团队使用新颖的实验方法在三维铋锑大块固体、半导体合金和相关的拓扑狄拉克材料中发现了拓扑秩序。这导致了拓扑磁性材料的发现。2014年至2015年间，他们发现并开发了一类新的拓扑材料，称为磁性Weyl半金属。

研究人员认为，这一发现将为量子技术，特别是所谓的“绿色”技术的未来研究和应用打开一扇大门。

哈桑说：“我们的研究在展示拓扑材料在量子电子学和节能应用方面的潜力方面迈出了一步。”

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