物理学家在元素固体中发现了一种新的量子态

物理学家在晶体材料中观察到了一种称为“混合拓扑”的新型量子效应。这一发现为开发下一代量子科学和工程的高效材料和技术开辟了一系列新的可能性。

这一发现发表在《自然》杂志上，当时普林斯顿大学的科学家发现，由砷(As)原子组成的元素固体晶体具有一种以前从未观察到的拓扑量子行为。他们能够使用扫描隧道显微镜(STM)和光电子能谱来探索和成像这种新颖的量子态，后者是一种用于确定分子和原子中电子相对能量的技术。

这种状态结合或“混合”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。这些已经在之前的实验中观察到，但从未在同一材料中同时观察到，它们混合形成新的物质状态。

“这一发现完全出乎意料，”领导这项研究的普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授扎希德·哈桑 (M. Zahid Hasan) 说。 “在观测之前，没有人在理论上预测到它。”

近年来，物质拓扑态的研究引起了物理学家和工程师的广泛关注，也是目前国际上广泛关注和研究的焦点。该研究领域将量子物理学与拓扑学相结合，拓扑学是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，科学家们主要通过制造复合材料，例如将铋与硒 (Se) 混合，使用基于铋 (Bi) 的拓扑绝缘体来演示和探索散装固体中的奇异量子效应。然而，这个实验是首次在砷元素晶体中发现拓扑效应。

“无论是从基础物理学的角度来看，还是为了寻找下一代量子科学和工程的潜在应用，对物质新颖拓扑特性的探索和发现已成为现代物理学中最受欢迎的宝藏之一，”哈桑。 “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。”

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