據《自然·材料》雜志10月封面文章，美國科學(xué)家在研究一種鉍基拓撲材料時(shí)，首次在室溫下觀(guān)察到了拓撲絕緣體內的獨特量子效應，有望為下一代量子技術(shù)，如能效更高的自旋電子技術(shù)的發(fā)展奠定基礎，也將加速更高效且更“綠色”量子材料的研發(fā)。
拓撲絕緣體是一種特殊的材料，內部的電子不能自由移動(dòng)，因此不導電，是絕緣體，但邊緣的電子可以自由移動(dòng)，這意味著(zhù)這些電子可導電。此外由于拓撲結構，沿 邊緣流動(dòng)的電子不會(huì )受到缺陷或變形的阻礙，因此這種材料不僅有可能改進(jìn)現有技術(shù)，還能通過(guò)探測量子電子特性，加深人們對物質(zhì)本身的理解。
但迄今科學(xué)家們一直很難用這些材料制造功能器件，因為較高的溫度會(huì )產(chǎn)生“熱噪音”。溫度升高，原子劇烈振動(dòng)，從而破壞精細的量子系統，使量子態(tài)崩潰。特別 是在拓撲絕緣體內，較高溫度會(huì )造成絕緣體表面的電子侵入絕緣體內部，導致那里的電子開(kāi)始傳導，從而稀釋或破壞特殊的量子效應。解決方法是將這些實(shí)驗置于絕 對零度（零下237.15攝氏度）附近，但創(chuàng )建和維護超低溫環(huán)境成本高且會(huì )消耗大量能量。
在最新研究中，普林斯頓大學(xué)扎希德·哈桑等人制造出了一種由溴化鉍制成的新型拓撲絕緣體，這是一種無(wú)機晶體化合物，有時(shí)用于水處理和化學(xué)分析。研究發(fā)現， 這一拓撲絕緣體的絕緣帶隙超過(guò)200毫電子伏，足以克服“熱噪音”，也不會(huì )破壞自旋軌道耦合效應和帶反轉拓撲。當通過(guò)亞原子分辨率掃描隧道顯微鏡觀(guān)察時(shí)， 研究人員觀(guān)察到清晰的量子自旋霍爾邊緣態(tài)，這是只在拓撲系統內存在的重要量子特性之一。
研究人員相信，這一突破將為下一代量子技術(shù)的發(fā)展和應用奠定基礎，也將加速更優(yōu)異量子材料的開(kāi)發(fā)。未來(lái)他們計劃確定能否在室溫下在其他拓撲材料內發(fā)現同樣的量子效應，也希望在更高溫度下開(kāi)展此類(lèi)實(shí)驗。