量子技巧揭开拓扑材料的秘密

电子不只是小球体,它们像橡胶球一样在材料中弹跳。量子物理定律告诉我们电子的行为像波。在某些材料中,这些电子波可以呈现相当复杂的形状。所谓的“拓扑材料”产生的电子态在技术应用中可能非常有趣,但要识别这些材料及其相关的电子态极其困难。屠呦呦(维也纳)和研究小组现在已经开发出新的想法,并在实验中加以实施。由光波构成的“晶体”是用来以一种非常特殊的几何图形来容纳原子的。这些“轻晶体”曾以不同的方式被用来操

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电子不只是小球体,它们像橡胶球一样在材料中弹跳。量子物理定律告诉我们电子的行为像波。在某些材料中,这些电子波可以呈现相当复杂的形状。所谓的“拓扑材料”产生的电子态在技术应用中可能非常有趣,但要识别这些材料及其相关的电子态极其困难。

屠呦呦(维也纳)和研究小组现在已经开发出新的想法,并在实验中加以实施。由光波构成的“晶体”是用来以一种非常特殊的几何图形来容纳原子的。这些“轻晶体”曾以不同的方式被用来操纵原子,现在可以被用来故意使系统失去平衡。通过在简单状态和复杂状态之间切换,系统可以显示它是否具有拓扑有趣的状态。这些发现已经发表在《物理评论快报》杂志上。

面包圈和甜甜圈

如果我们把太多的东西放在购物袋里,拓扑结构的重要性就很容易体现出来:一个面包卷可能会被稍微压碎,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,拓扑结构相同。另一方面,甜甜圈中间有一个洞——它的拓扑结构是不同的。即使它被稍微挤压,它的形状仍然可以很容易地与面包卷区分开来。

“这与量子态类似,”维也纳量子科学与技术中心(VCQ)的Jorg Schmiedmayer教授解释说。量子态可以有一个非平凡的拓扑结构来保护它们免受某些微扰。这就是为什么它们对技术如此有趣的原因,因为在每一个实验和每一个现实世界的技术应用中,你总是必须处理扰动。2016年,诺贝尔物理学研究奖(Nobel Prize In Physics for research)颁发给了对物质拓扑状态的研究,但要确定某种物质是否允许拓扑上有趣的量子态,仍然被认为是极其困难的。

“不处于平衡状态的量子态正在迅速变化,”Jorg Schmiedmayer说。“众所周知,这种动态很难理解,但正如我们所展示的,这是一种获取系统极其有趣信息的好方法。”Schmiedmayer与中国的研究团队合作。实验由陈帅教授带领,潘建伟教授的课题组进行。他们两人都曾是我在海德堡小组的合作者,自他们回到中国以来,我们一直密切合作。2016年,维也纳理工大学与中国科技大学(中国科技大学,中国合肥)签署合作协议,加强研究合作,特别是在物理领域。

揭示材料特性的不平衡

在干涉光波的帮助下,原子可以被固定在预定的位置,形成一个规则的原子网格,类似于晶体,原子在固态晶体中扮演电子的角色。通过改变光,可以改变原子排列的几何形状,以检查电子态在真实固体材料中的行为。

Jorg Schmiedmayer说:“随着这种变化,一种巨大的不平衡正在突然产生。”“量子态必须重新排列并接近新的平衡,就像滚下山的球一样,直到它们在山谷中找到平衡。”在这个过程中,我们可以看到清晰的信号,告诉我们是否能找到拓扑上有趣的状态。”

这对于拓扑材料的研究是一个重要的新见解。人们甚至可以利用人造光晶体来模拟特定的晶体结构,从而找到新的拓扑材料。


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