拓扑材料真的很神秘吗?量子技巧揭开其面纱

维也纳技术大学的光学设备。

电子并不只是小球体,它会在材料中“弹来弹去”。量子物理定律告诉我们,电子的行为与波类似。在某些材料中,这种电子波可以呈现出相当复杂的形态。“拓扑材料”产生的电子态可能有非常有趣的技术应用,但要识别这类材料及其相关的电子态却极其困难。

对此,奥地利维也纳技术大学(TU Wien)和若干中国的研究小组通过合作,提出了新的观点,并进行了实验验证。由光波构成的“晶体”以一种特殊的几何形态来容纳原子。这些“光晶体”曾被用于操纵原子。现在,它们又被用来打破系统平衡。通过在简单状态和复杂状态之间进行切换,系统可以揭示材料是否具有拓扑学意义上的有趣状态。相关发现刊登于《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志。

如何简要地解释拓扑学的重要性呢?举个形象的例子来说,如果购物袋被塞得太满,面包卷可能会被挤压成类似香蕉的形状。面包卷和香蕉有相同的基本几何结构,因此拓扑结构相同。而甜甜圈有一个洞,它的拓扑结构与香蕉和面包卷是不同的。即使它被挤压过,它的形状仍然可以很容易地与面包卷区分开来。维也纳技术大学量子科学与技术中心的乔尔格?施密特梅尔(Jorg Schmiedmayer)教授解释说:“在现实世界中,每个实验、每种技术总会面对各种干扰。量子态因受到特殊拓扑结构的保护而免受扰动——这就是研究人员为它们着迷的原因。2016年,虽然诺贝尔物理学奖授予了对物质拓扑状态进行研究的科学家,但物质是否存在拓扑量子态仍被认为难以确定。非平衡状态的量子态总是处于迅速的变化之中,这种动态变化很难捉摸。我们的研究对获取该系统的拓扑状态信息提供了一种好办法。”施密特梅尔教授与中国的潘建伟教授(音译)和陈帅教授(音译)等展开了密切合作。2016年,维也纳技术大学与中国科技大学签署了合作协议,计划在物理学等领域加强研究合作。

在干扰光波的帮助下,原子可以保持在预定位置,形成类似晶体的规则原子网格。进而,原子在固态晶体中开始扮演电子的角色。通过改变光,原子排列的几何结构随之改变,研究人员就能检查固态材料中的电子状态了。施密特梅尔说:“随着光的变化,巨大的不平衡突然产生了,量子态必须重新达到平衡。在这个过程中,我们可以观察到清晰的信号,并确定材料是否具有拓扑态。”

施密特梅尔等的成果为拓扑材料的研究提供了新视角。研究人员可以利用人工光晶体来模拟晶体结构,从而发现新的拓扑材料。

编译:雷鑫宇

审稿:阿淼

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