北京
賓夕法尼亞州立大學的科學家將量子物理的兩個分支融合在單一材料中，為研究復雜的電學效應提供了一種更簡便的方法。
賓夕法尼亞州立大學和圣路易斯大學的科學家證實，一種磁性量子材料能夠天然地產生不尋常的量子行為，而此前研究人員主要通過特殊設計的光學和電子系統來探索這類現象。這一突破可能為先進傳感器以及超越傳統電子器件能力的未來量子器件開辟一條實用道路。
研究團隊將量子研究中兩個快速發展的領域結合起來，利用磁性拓撲材料來研究非厄米物理，這一新興領域主要考察具有非傳統行為的系統。他們的發現發表在《科學進展》上，表明這種材料本身就能產生這些效應，無需依賴復雜的人工平臺。
天然量子平臺
非厄米物理正吸引著越來越多的關注，因為它能預言標準物理模型難以解釋的行為。某些系統會對極微小的擾動變得異常敏感，這使它們對傳感技術具有吸引力；另一些系統則迫使電流或量子態聚集在特定位置，而不是均勻地分布在整個器件中。
研究人員利用量子反常霍爾絕緣體展示了這些效應。這是一種磁性拓撲材料，其內部會阻斷電流通過，但允許電子僅沿其邊緣單向傳輸。
這種單向運動自然地形成了具有方向性的電傳輸路徑。傳統的電子網絡通常在兩個方向上行為相同，而量子反常霍爾材料打破了這種對稱性，使信號能夠根據方向的不同而以不同方式傳播。
“我們想證明這些現象可以在量子材料中自然涌現，”賓夕法尼亞州立大學電氣工程系助理教授莫爾塔扎·卡亞哈說。他表示，這項工作為利用量子材料構建可擴展的非厄米系統奠定了基礎，而不必僅依賴基于光學或電路的設計。
邊緣態揭示物理機制
研究團隊利用賓夕法尼亞州立大學二維晶體聯盟制造的磁性摻雜碲化鉍銻薄膜，制備了環形器件。與傳統的量子霍爾器件不同，這些材料在磁化后無需外加磁場，使得實驗大為簡化。
“這一量子反常霍爾平臺的一個關鍵優勢是，材料磁化后，可以在零外加磁場下研究手性邊緣態，”卡亞哈說。他還補充道，這一特點使其成為探索電子量子材料中非厄米行為的一個很有前景的平臺。
科學家們在每個微型環周圍連接了多個電接觸點，并追蹤電信號在它們之間的傳輸情況。這些測量結果使研究人員得以重構材料的電導網絡，并將其與著名的Hatano-Nelson理論模型進行對比。
實驗揭示了非厄米趨膚效應的特征，即量子態集中在系統的一端，而不是保持均勻分布。此前研究人員已在人工設計的平臺中觀察到這一現象，但在一類拓撲量子材料中展示這一效應，則是一項重大進展。
邁向實用器件
團隊還證明，他們可以通過柵極電壓來調節材料的行為，這為研究電傳輸如何影響非厄米動力學提供了另一種手段。雖然這項工作側重于基礎物理，但其影響可能遠不止于此。將拓撲量子材料與非厄米物理相結合，最終可能實現能夠響應極微小電信號、磁信號及其他環境信號的超靈敏探測器。
卡亞哈表示，磁性拓撲絕緣體為解答有關量子傳輸和拓撲的基礎問題提供了一個靈活的平臺。他指出，其所用的制備方法已經支持商業規模的制造。下一步的挑戰是找到能夠充分利用這些新近展示的量子效應的實際傳感應用。
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