量子霍尔效应在三维拓扑材料中“再生”

时间:2020-06-24 20:37 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

量子霍尔效应在三维拓扑材料中“再生”

美国和德国物理学家发现了令人惊讶的证据,证明现代物理学中最著名的现象之一——量子霍尔效应——在拓扑超导体中“转世”,这种超导体可以用来建造容错量子计算机。

1980年量子霍尔效应的发现,开启了对拓扑序的研究。拓扑序是指具有“受保护”的长距离量子纠缠模式的电子态,这种模式非常稳健。这些受保护状态的稳定性对量子计算非常有吸引力,量子计算使用量子纠缠来存储和处理信息。

本月在《物理评论X》(PRX)网站上发表的一项研究中,来自莱斯大学、加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology, KIT)的理论物理学家提供了强有力的数字证据,证明拓扑物质的二维和三维相之间存在惊人的联系。量子霍尔效应是在二维材料中发现的,世界各地的实验室都在竞相制造用于量子计算的三维拓扑超导体。

莱斯大学的物理学和天文学副教授、莱斯量子材料中心(RCQM)的成员马修·福斯特说:“在这项研究中,我们发现了一类特殊的三维拓扑超导体应该在其表面展示出二维电子态的‘能量堆栈’。”“这些叠加态中的每一种都是二维量子霍尔效应中一种非常特殊的状态的有力‘转世’。”

量子霍尔效应首次在二维材料中测量。福斯特使用了一个“渗透”类比来帮助可视化二维量子霍尔实验和研究的三维计算模型之间奇怪的相似性。

他说:“在一张纸上画出高低起伏的山峰和山谷的地图,然后想象当你把这片土地填满水的时候会发生什么。”“水是我们的电子,当液体的浓度很低时,就会形成孤立的电子湖。这些湖泊彼此分离,电子不能穿过主体。如果水位很高,你就会有孤立的岛屿,在这种情况下,这些岛屿就像电子一样,你也不会得到大量传导。”

在福斯特的类比中,崎岖的地形是二维材料的电势,坚固的程度对应于系统中杂质的数量。水位代表了“费米能量”,这是物理学中的一个概念,指的是系统中电子的填充水平。纸贴图的边缘类似于环绕二维材料的一维边缘。

福斯特说:“如果你加入水,调整水位,精确到有小桥连接湖泊和陆地连接岛屿的程度,那么通过水或陆地旅行就很容易了。”这就是渗透阈值,它对应于量子霍尔中拓扑状态之间的转换。这是量子大厅中特殊的二维状态。

“如果你增加更多的液面,现在电子被困在孤立的岛屿上,你会想,‘好吧,我有同样的情况,我以前没有传导。但是,在特殊的过渡阶段,其中一个电子状态已经脱离了边缘。添加更多的液体并不能消除边缘状态,它可以环绕整个样品,没有什么可以阻止它。”

类比描述了通过量子霍尔效应中的特殊跃迁,鲁棒边缘传导与体微调之间的关系。在插件可以研究中,福斯特和合作者Bjo?rn Sbierski加州大学伯克利分校和乔纳斯因为Karcher装备研究三维拓扑系统类似于二维景观的类比。

“这些三维系统中有趣的东西也只发生在边界,”福斯特说。“但现在我们的边界不是一维边界状态,而是二维平面。”

斯比尔斯基、卡切尔和福斯特利用“对表面态的强力数值计算”发现了临界二维量子霍尔态和三维系统之间的联系。就像二维量子霍尔材料中的一维边缘状态在跃迁能量之上持续存在一样,计算揭示了三维系统中的一个持久的二维边界状态。不是任何二维状态;它与产生一维量子霍尔边态的二维渗流态完全相同。

福斯特说:“二维拓扑量子相变已经‘转世’为更高维度体的一般表面状态。”“在2018年的研究中,我们小组发现了一种不同的、更奇特的二维量子霍尔效应与另一类三维拓扑超导体的表面状态之间的类似联系。有了这个新证据,我们现在相信这些联系有深刻的拓扑原因,但目前数学仍不清楚。”

拓扑超导体尚未在实验中实现,但物理学家正试图通过在拓扑绝缘体中加入杂质来实现。这一过程被称为掺杂,已被广泛用于从大块绝缘体中制造其他类型的非常规超导体。

福斯特说:“我们现在有证据表明,五种三维拓扑相中的三种与量子霍尔效应的二维相相关联,而且这三种三维相都可以在‘拓扑超导体’中实现。”

福斯特说,凝聚态物理学的传统观点认为,拓扑超导体每个只具有一个受保护的二维表面态,而用于制造超导体的固态材料不可避免的缺陷会对其他所有态产生不利影响。

但斯比尔斯基、卡切尔和福斯特的计算表明,情况并非如此。

“在量子大厅中,由于一维边缘状态,你可以在任何地方进行调谐,仍然可以得到电导的稳定状态,”福斯特说。“我们的研究表明,3d技术也是如此。我们看到不同能级的临界状态叠加,所有这些状态都被这个奇怪的二维量子霍尔跃迁态的转世所保护。”

作者还为实验工作奠定了基础,以验证他们的发现,计算出三维相的表面状态如何出现在各种实验探针的细节。

“我们为拓扑阶段的表面状态提供了精确的统计‘指纹’,”福斯特说。“由于无序,实际的波函数是随机的,但它们的分布是普遍的,符合量子霍尔跃迁。”

当前位置:主页 > 物理知识 >

声明:本文杏鑫娱乐整理不代表个人观点,转载请注明原文,点击还能查看更多的文章;本文网址: http://www.kozbods.com/wuli/lzhexyzswtpclzzs.html

围观: 次 | 责任编辑:杏鑫

延伸阅读

SEO关键字



回到顶部