拓扑和相互作用是理解量子物质的基础概念。它们之间的关系产生了三个重要的研究方向：一是不同相互作用之间的竞争，二是相互作用和拓扑之间的相互影响，三是几个拓扑顺序的合并产生不同的新相。

前两个方向已经发展成为了重要的研究领域，但第三个方向却几乎没有被探索过，主要原因在于缺乏进行相关实验研究的材料平台。

在一项发表于《自然》的新研究中，物理学家在一种简单的由砷（As）组成的单质固体晶体中，观测到了一种从未被观测到的拓扑量子行为形式。他们使用了扫描隧穿显微镜、光电发射光谱和理论分析，来探索这种结合了两种形式的拓扑量子行为的新量子态。

这项研究首次证明了，不同的拓扑顺序也可以相互作用，并产生新的、有趣的量子现象。

拓扑材料

近年来，物质的拓扑态引起了物理学家的极大关注。这一领域的研究结合了量子物理学和拓扑学。

拓扑材料是用于研究量子拓扑奥秘的主要对象。这些材料的内部表现得像绝缘体，电子不能自由移动，因此不导电；但这种材料边缘的电子可以自由移动，可以导电。与此同时，由于拓扑结构的特殊性质，沿着拓扑材料边缘流动的电子，不会受到任何缺陷或形变的阻碍。

这样的材料不仅有助于改进一些技术，而且还可以让科学家通过探测量子电子特性来更好地了解物质本身。因此，许多科学家都希望能将拓扑材料应用于实际。但在实现这一目标之前，需要取得两项重要进展：首先，量子拓扑效应必须能够在更高的温度下存在；第二，需要找到能承载拓扑现象的简单而基本的材料系统。

目前，物理学家已知铋（Bi）是唯一一种拥有丰富拓扑结构的元素。因此，20多年来，铋基拓扑绝缘体被广泛用于探索大块固体中的奇异量子效应。这部分归因于铋的高纯净度和易合成性。科学家可以通过制造复合材料来完成研究，例如将铋与硒（Se）混合。

在理论上，铋基材料是可以在高温下承载物质的拓扑状态的，但需要在超高真空的条件下制备复杂的材料。因此，在新的研究中，研究团队决定探索一些其他的系统。他们想到了用砷制成晶体，因为与大多数铋化合物相比，砷能够以一种更纯净的形式生长。

前所未见的量子态

当研究人员将扫描隧穿显微镜应用到砷样品上时，他们观测到了一个意外的结果——一种灰色的、具有金属外观的砷，同时具有拓扑表面态和边缘态。这是两种形式的拓扑量子行为，代表着两种量子二维电子系统，已经在过去的一些实验中得到证实。

研究人员表示，灰色的砷本应该只有表面态才对，但当他们检查原子台阶边缘时，却发现了导电的边缘模式。这样的观测结果令人惊讶，因为他们从来没有观察到过，这两种状态可以同时在同一种物质中混合成一种新的量子态。

利用系统高分辨率角分辨光电子谱学，研究人员进一步证实了扫描隧穿显微镜的观测结果。他们表示，这些灰色的砷样品非常纯净，他们可以看见清晰的拓扑表面态特征。通过多种实验技术的结合，研究人员最终探测到了与杂化拓扑态相关的独特的体积-表面-边缘对应关系，并巩固了实验发现。

利用扫描隧穿显微镜对灰色砷晶体表面和边缘的电子量子态的数据进行可视化。（图/Shafayat Hossain and the Zahid Hasan group / Princeton University.）

研究的意义

这是首个在砷晶体中发现的拓扑效应，也是一个完全出乎意料的发现，在观测到它之前，甚至没有相关的理论预测。

研究人员表示，砷可能蕴含着更丰富的拓扑现象，它或将为测试各种拓扑概念提供一个宝贵的实验平台。例如，这一发现可以为设计新的拓扑电子传输通道铺平道路，这进而可能带来新的量子信息科学和量子计算设备。

另外，从更广泛的角度来看，发现这种新的材料和性能，也将极大地有利于拓扑材料研究领域的发展。研究人员认为，这项研究在展示拓扑材料在量子电子学和节能应用的潜力方面前进了一步。

参考来源：

https://research.princeton.edu/news/physicists-discover-novel-quantum-state-elemental-solid

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07203-8

封面图&首图来源：Princeton University