量子技巧揭開拓撲材料的秘密

電子不只是小球體,它們像橡膠球一樣在材料中彈跳。量子物理定律告訴我們電子的行為像波。在某些材料中,這些電子波可以呈現相當復雜的形狀。所謂的“拓撲材料”產生的電子態在技術應用中可能非常有趣,但要識別這些材料及其相關的電子態極其困難。屠呦呦(維也納)和研究小組現在已經開發出新的想法,并在實驗中加以實施。由光波構成的“晶體”是用來以一種非常特殊的幾何圖形來容納原子的。這些“輕晶體”曾以不同的方式被用來操

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電子不只是小球體,它們像橡膠球一樣在材料中彈跳。量子物理定律告訴我們電子的行為像波。在某些材料中,這些電子波可以呈現相當復雜的形狀。所謂的“拓撲材料”產生的電子態在技術應用中可能非常有趣,但要識別這些材料及其相關的電子態極其困難。

屠呦呦(維也納)和研究小組現在已經開發出新的想法,并在實驗中加以實施。由光波構成的“晶體”是用來以一種非常特殊的幾何圖形來容納原子的。這些“輕晶體”曾以不同的方式被用來操縱原子,現在可以被用來故意使系統失去平衡。通過在簡單狀態和復雜狀態之間切換,系統可以顯示它是否具有拓撲有趣的狀態。這些發現已經發表在《物理評論快報》雜志上。

面包圈和甜甜圈

如果我們把太多的東西放在購物袋里,拓撲結構的重要性就很容易體現出來:一個面包卷可能會被稍微壓碎,擠壓成類似香蕉的形狀。面包卷和香蕉有相同的基本幾何結構,拓撲結構相同。另一方面,甜甜圈中間有一個洞——它的拓撲結構是不同的。即使它被稍微擠壓,它的形狀仍然可以很容易地與面包卷區分開來。

“這與量子態類似,”維也納量子科學與技術中心(VCQ)的Jorg Schmiedmayer教授解釋說。量子態可以有一個非平凡的拓撲結構來保護它們免受某些微擾。這就是為什么它們對技術如此有趣的原因,因為在每一個實驗和每一個現實世界的技術應用中,你總是必須處理擾動。2016年,諾貝爾物理學研究獎(Nobel Prize In Physics for research)頒發給了對物質拓撲狀態的研究,但要確定某種物質是否允許拓撲上有趣的量子態,仍然被認為是極其困難的。

“不處于平衡狀態的量子態正在迅速變化,”Jorg Schmiedmayer說。“眾所周知,這種動態很難理解,但正如我們所展示的,這是一種獲取系統極其有趣信息的好方法。”Schmiedmayer與中國的研究團隊合作。實驗由陳帥教授帶領,潘建偉教授的課題組進行。他們兩人都曾是我在海德堡小組的合作者,自他們回到中國以來,我們一直密切合作。2016年,維也納理工大學與中國科技大學(中國科技大學,中國合肥)簽署合作協議,加強研究合作,特別是在物理領域。

揭示材料特性的不平衡

在干涉光波的幫助下,原子可以被固定在預定的位置,形成一個規則的原子網格,類似于晶體,原子在固態晶體中扮演電子的角色。通過改變光,可以改變原子排列的幾何形狀,以檢查電子態在真實固體材料中的行為。

Jorg Schmiedmayer說:“隨著這種變化,一種巨大的不平衡正在突然產生。”“量子態必須重新排列并接近新的平衡,就像滾下山的球一樣,直到它們在山谷中找到平衡。”在這個過程中,我們可以看到清晰的信號,告訴我們是否能找到拓撲上有趣的狀態。”

這對于拓撲材料的研究是一個重要的新見解。人們甚至可以利用人造光晶體來模擬特定的晶體結構,從而找到新的拓撲材料。


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