布鲁克海文国家实验室 显示MnBi2Te4表面磁性和导电行为的示意图
磁性均匀地指向上方，如红色箭头所示，由沙漏结构表示的表面电子是导电的，因为上半部分和下半部分在顶点接触，中间没有“间隙”(见正文)
这两个特征预计不会同时出现，这说明需要进一步了解材料的基本特性
学分:布鲁克海文国家实验室 这项研究旨在发现物质的新状态，以及编码、操纵和传输信息的新方式
一个目标是利用材料的量子特性进行通信，这超出了传统电子学的可能范围
拓扑绝缘体——主要作为绝缘体，但在其表面携带电流的材料——提供了一些诱人的可能性
“探索拓扑材料的复杂性，以及其他有趣的新兴现象，如磁性和超导性，是美国材料科学界最激动人心和最具挑战性的焦点领域之一
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能源部的布鲁克海文国家实验室，”彼得·约翰逊说，他是布鲁克海文凝聚态物理和材料科学部门的高级物理学家
“我们试图理解这些拓扑绝缘体，因为它们有许多潜在的应用，特别是在量子信息科学领域，这是该部门的一个重要新领域
" 例如，具有这种分裂绝缘体/导体特性的材料在其具有相反“自旋”的表面电子的能量特征上表现出分离
这种量子特性有可能被“自旋电子”设备用来编码和传输信息
更进一步，将这些电子与磁性耦合可以导致新奇和令人兴奋的现象
约翰逊的博士后同事丹·内沃拉说:“当你在表面附近有磁性时，你就可以看到拓扑绝缘体与磁性耦合产生的其他奇异物质状态。”
“如果我们能够找到具有自身固有磁性的拓扑绝缘体，我们应该能够高效地向特定方向传输特定自旋的电子
" 在一项新的研究中，内沃拉、约翰逊和他们的合著者描述了这种磁性拓扑绝缘体的古怪行为，这项研究刚刚发表，并在《物理评论快报》中被强调为编辑的建议
该论文包括实验证据，证明碲化锰铋(MnBi2Te4)体中的固有磁性也延伸到其导电表面上的电子
关于表面磁性是否存在，以前的研究没有定论
但是，当物理学家测量表面电子对磁性的敏感度时，两种观察到的电子状态中只有一种表现出预期
另一种表面状态，预计会有更大的反应，表现得好像磁性不存在
“表面的磁性不同吗？还是有什么我们就是不懂的异国情调？”内沃拉说
约翰逊倾向于奇异的物理解释:“丹做了这个非常仔细的实验，这使他能够观察表面区域的活动，并识别该表面上的两种不同的电子状态，一种可能存在于任何金属表面，另一种反映了材料的拓扑性质，”他说
“前者对磁性很敏感，这证明磁性确实存在于表面
然而，另一个我们认为更敏感的问题却一点也不敏感
所以，一定有什么奇异的物理在发生！" 测量 科学家们使用各种类型的光电发射光谱学来研究这种材料，其中来自紫外激光脉冲的光将电子从材料表面击散，并进入检测器进行测量
丹·内沃拉是布鲁克海文国家实验室凝聚态物理和材料科学部门的博士后研究员，他是一篇描述磁性拓扑绝缘体奇异量子行为的新论文的主要作者
学分:布鲁克海文国家实验室 “在我们的一个实验中，我们使用了一个额外的红外激光脉冲，在进行测量之前，给样品一点刺激，移动一些电子，”内沃拉解释道
“它吸收一些电子，并把它们(在能量上)激发成导电电子
然后，在非常非常短的时间尺度内——皮秒——你进行测量，看看电子状态是如何响应变化的
" 受激电子的能级图显示了两个不同的表面带，每个表面带显示了独立的分支，每个分支中的电子具有相反的自旋
这两个带，每一个代表两种电子状态中的一种，都被期望对磁性的存在做出反应
为了测试这些表面电子是否真的对磁性敏感，科学家们将样品冷却到25开尔文，让其固有的磁性显现出来
然而，只有在非拓扑电子态中，他们才观察到在光谱的预期部分出现了“缺口”
“在这样的间隙中，电子被禁止存在，因此它们从光谱的那一部分消失代表了间隙的特征，”内沃拉说
对规则表面状态下出现的间隙的观察是磁敏感性的明确证据，也是这种特殊材料的大部分磁性延伸到其表面电子的证据
然而，科学家们研究的“拓扑”电子状态对磁性没有显示出这种敏感性——没有间隙
约翰逊说:“这就带来了一点疑问。”
“这些是我们希望能够理解和设计的特性，就像我们为各种技术设计半导体的特性一样，”约翰逊继续说道
例如，在自旋电子学中，想法是使用不同的自旋状态来编码信息，就像目前半导体器件中使用正负电荷来编码计算机代码的“位”——1和0一样
但是自旋编码的量子比特，或者说量子比特，有更多可能的状态——不仅仅是两个
这将极大地扩展以新的强大方式编码信息的潜力
约翰逊说:“磁性拓扑绝缘体的一切看起来都适合这种技术应用，但这种特殊材料并不完全符合规则。”
所以现在，随着研究小组继续寻找新的物质状态和对量子世界的进一步洞察，解释这种特殊材料的奇特量子行为变得更加紧迫
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