拓撲和相互作用是理解量子物質的基礎概念。它們之間的關系産生了三個重要的研究方向：一是不同相互作用之間的競爭，二是相互作用和拓撲之間的相互影響，三是幾個拓撲順序的合並産生不同的新相。

前兩個方向已經發展成爲了重要的研究領域，但第三個方向卻幾乎沒有被探索過，主要原因在于缺乏進行相關實驗研究的材料平台。

在一項發表于《自然》的新研究中，物理學家在一種簡單的由砷（As）組成的單質固體晶體中，觀測到了一種從未被觀測到的拓撲量子行爲形式。他們使用了掃描隧穿顯微鏡、光電發射光譜和理論分析，來探索這種結合了兩種形式的拓撲量子行爲的新量子態。

這項研究首次證明了，不同的拓撲順序也可以相互作用，並産生新的、有趣的量子現象。

拓撲材料

近年來，物質的拓撲態引起了物理學家的極大關注。這一領域的研究結合了量子物理學和拓撲學。

拓撲材料是用于研究量子拓撲奧秘的主要對象。這些材料的內部表現得像絕緣體，電子不能自由移動，因此不導電；但這種材料邊緣的電子可以自由移動，可以導電。與此同時，由于拓撲結構的特殊性質，沿著拓撲材料邊緣流動的電子，不會受到任何缺陷或形變的阻礙。

這樣的材料不僅有助于改進一些技術，而且還可以讓科學家通過探測量子電子特性來更好地了解物質本身。因此，許多科學家都希望能將拓撲材料應用于實際。但在實現這一目標之前，需要取得兩項重要進展：首先，量子拓撲效應必須能夠在更高的溫度下存在；第二，需要找到能承載拓撲現象的簡單而基本的材料系統。

目前，物理學家已知铋（Bi）是唯一一種擁有豐富拓撲結構的元素。因此，20多年來，铋基拓撲絕緣體被廣泛用于探索大塊固體中的奇異量子效應。這部分歸因于铋的高純淨度和易合成性。科學家可以通過制造複合材料來完成研究，例如將铋與硒（Se）混合。

在理論上，铋基材料是可以在高溫下承載物質的拓撲狀態的，但需要在超高真空的條件下制備複雜的材料。因此，在新的研究中，研究團隊決定探索一些其他的系統。他們想到了用砷制成晶體，因爲與大多數铋化合物相比，砷能夠以一種更純淨的形式生長。

前所未見的量子態

當研究人員將掃描隧穿顯微鏡應用到砷樣品上時，他們觀測到了一個意外的結果——一種灰色的、具有金屬外觀的砷，同時具有拓撲表面態和邊緣態。這是兩種形式的拓撲量子行爲，代表著兩種量子二維電子系統，已經在過去的一些實驗中得到證實。

研究人員表示，灰色的砷本應該只有表面態才對，但當他們檢查原子台階邊緣時，卻發現了導電的邊緣模式。這樣的觀測結果令人驚訝，因爲他們從來沒有觀察到過，這兩種狀態可以同時在同一種物質中混合成一種新的量子態。

利用系統高分辨率角分辨光電子譜學，研究人員進一步證實了掃描隧穿顯微鏡的觀測結果。他們表示，這些灰色的砷樣品非常純淨，他們可以看見清晰的拓撲表面態特征。通過多種實驗技術的結合，研究人員最終探測到了與雜化拓撲態相關的獨特的體積-表面-邊緣對應關系，並鞏固了實驗發現。

利用掃描隧穿顯微鏡對灰色砷晶體表面和邊緣的電子量子態的數據進行可視化。（圖/Shafayat Hossain and the Zahid Hasan group / Princeton University.）

研究的意義

這是首個在砷晶體中發現的拓撲效應，也是一個完全出乎意料的發現，在觀測到它之前，甚至沒有相關的理論預測。

研究人員表示，砷可能蘊含著更豐富的拓撲現象，它或將爲測試各種拓撲概念提供一個寶貴的實驗平台。例如，這一發現可以爲設計新的拓撲電子傳輸通道鋪平道路，這進而可能帶來新的量子信息科學和量子計算設備。

另外，從更廣泛的角度來看，發現這種新的材料和性能，也將極大地有利于拓撲材料研究領域的發展。研究人員認爲，這項研究在展示拓撲材料在量子電子學和節能應用的潛力方面前進了一步。

參考來源：

https://research.princeton.edu/news/physicists-discover-novel-quantum-state-elemental-solid

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07203-8

封面圖&首圖來源：Princeton University