北京
关键词：拓扑绝缘体，量子相干传输
论文题目：Quantum transport response of topological hinge modes 论文期刊：Nature Physics 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02388-1
拓扑绝缘体的表面态是一种存在于材料表面或边缘的特殊电子状态，这些状态由材料内部的拓扑性质决定。拓扑绝缘体的表面态引起了广泛关注，因为表面态电子受到特殊的保护，可以在没有能量损失的情况下传输电流，从而有望实现超低耗散的量子电子设备器件。自2000年代初以来，尽管发现了许多拓扑材料，但在大规模上实现量子相干传输——这对于利用拓扑性质至关重要——仍然是一个重大的技术挑战。
虽然工程化的纳米结构已经展示了量子相干性，但这种性质在传统的强拓扑绝缘体中只能在非常有限的区域观察到。这意味着，为了利用这些材料的量子相干性，需要制造纳米级的精细结构，这限制了它们在实际应用中的潜力。为了解决这个问题，科学家们提出了一种新型材料——高阶拓扑绝缘体。然而，之前的研究主要关注在那些同时存在非拓扑导电状态的系统上，这同样限制了实现纯粹的量子相干传输的可能性。
最近发表于物理学顶刊Nature Physics的一项研究，提供了在内在拓扑绝缘体α-Bi4Br4中，存在于绝缘体内部和表面能隙中的无能隙拓扑铰链态的量子传输证据。α-Bi4Br4是一种高阶拓扑绝缘体材料，由铋 （Bi） 和溴 （Br） 元素组成，它不仅在表面有导电态，还在样品的铰链 （即样品边缘的边缘） 上展示出一维的导电通道。研究的磁电阻测量显示出明显的阿哈罗诺夫-玻姆振荡，其周期为h/e （其中h代表普朗克常数，e为电子电荷） 。观察到的周期性表明了环绕铰链的电子的量子干涉。作者进一步证明，h/e振荡随磁场方向的变化而演变，沿着由拓扑和对称性允许的铰链模式的干涉路径。
该研究的发现，揭示了拓扑铰链模式的量子传输响应，这种响应既具有拓扑本质也具有量子相干性，最终可以应用于高效拓扑电子设备的开发。
图1 观察到拓扑铰链态的阿哈罗诺夫-博姆振荡。阿哈罗诺夫-玻姆（Aharonov-Bohm）效应是量子力学中的一个现象，它表明即使在没有电磁场的区域内，电磁势仍然可以影响电子的量子相位，并因此影响电子的行为。这一效应的一个直接后果是，当电子绕过一个带磁通的区域时，即使电子本身并未直接穿过磁场，它们的波函数也会因为磁场的存在而发生干涉，导致观测到的物理量（如电阻）出现周期性的变化。
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