《自然》:普林斯頓大學在量子拓撲物質研究有重大發現
2020-12-11 量子認知在數學裡，拓撲學（topology）是一門研究拓撲空間的學科，主要研究空間內，在連續改變形狀後還能保持不變的一些性質的學科，它只考慮物體間的位置關係而不考慮它們的形狀和大小。
量子拓撲物質研究是將量子力學和拓撲學相結合的一門新興研究領域，通過量子力學原理，運用拓撲學數學工具，主要是對物質的微觀基礎機理的研究。
由普林斯頓大學研究人員領導的一個國際團隊，發現了一種展現出奇異量子效應的拓撲磁鐵，這種新型的磁體具有可擴展至室溫的新型量子效應。
展現出奇異量子效應的拓撲磁鐵研究人員在原始磁鐵中發現了量子化的拓撲相，他們的發現提供了對具有30年歷史的電子自發量子化理論的深刻見解，並證明了一種發現新拓撲磁體的原理驗證方法。量子磁體是實現無損耗電流、高存儲容量和未來綠色技術的有前途的平臺。該最新研究論文發表在昨天的《自然》雜誌上。
論文共同第一作者與通訊作者、尹嘉欣（Jia-Xin Yin）為在普林斯頓大學物理系拓撲量子物質和高級光譜學實驗室從事博士後研究的中國學者，在該研究論文作者中還包括另外16名中國學者。
該論文研究主導、扎希德·哈桑（M. Zahid Hasan）、普林斯頓大學物理學教授、美國科學研究院院士，孟加拉國裔科學家，以對具有拓撲和突變性質的量子物質的開創性研究而聞名，被評為「當代最具影響力的科學思維頭腦」之一，發表了200多篇研究論文被廣泛引用，是外爾（Weyl）拓撲半金屬發現方法的美國專利的發明人。
這一發現的根源在於量子霍爾效應的工作原理，這種形式的拓撲效應是1985年諾貝爾物理學獎的主題。這是理論數學的第一個分支——拓撲學，首次從根本上開始改變描述和分類構成周圍世界的事物的方式。從那時起，在科學和工程領域就對拓撲階段進行了深入研究。
量子霍爾效應已發現許多具有拓撲電子結構的新型量子材料，包括拓撲絕緣體和Weyl半金屬。儘管一些最令人興奮的理論需要磁性，但是所探索的大多數材料都是非磁性的，並且沒有量化，因此許多誘人的可能性無法實現。
2016，鄧肯·霍爾丹（Duncan Haldane），英裔美國物理學家，普林斯頓大學物理學教授，因「在物質的拓撲相變和拓撲相領域的理論性發現」而與戴維·索利斯以及約翰·科斯特利茨共同獲得了諾貝爾物理學獎。隨後的理論發展表明，以特殊的原子排列，稱為籠目晶格（kagome lattice）容納拓撲絕緣子的磁性可以容納一些最奇怪的量子效應。
籠目晶格（kagome lattice）自從他們發現了三維拓撲絕緣子的第一個例子以來，哈桑團隊一直在尋找可能在室溫下工作的拓撲磁量子態，這一過程長達十年之久。最近，他們發現了能夠在室溫下工作的籠目晶格磁體中的材料解決方案，該磁體表現出了人們所期望的量化。 「 籠目晶格可以被設計為具有相對論性能帶交叉和強電子-電子相互作用。兩者對於新型磁性都是必不可少的。因此，研究團隊到，籠目磁體是一種有前途的系統，可在其中尋找拓撲磁體相，就像它們我們之前研究過的拓撲絕緣子。」
長期以來，這種現象的直接材料和實驗可視化一直難以捉摸。研究小組發現，大多數籠目磁鐵太難合成，對磁性的了解還不夠，無法觀察到拓撲或量化的決定性實驗特徵，或者它們只能在非常低的溫度下工作。
通過對拓撲磁體的多個系列的多年深入研究，研究小組逐漸意識到，由鋱、鎂和錫元素（TbMn6Sn6）製成的材料具有理想的晶體結構，具有化學、量子力學性質和空間分布隔離的籠目晶格層。此外，它獨特地具有強大的面外磁化強度。北京大學賈爽研究小組成功地在大型單晶水平上合成了這種理想的籠目磁鐵，哈桑小組開始進行系統的最新技術測量，以檢查晶體是否具有拓撲結構，更重要的是，具有所需的特徵外來量子磁態。
如上面動畫所示，箭頭表示從籠目晶格指向上方的電子自旋。手性由逆時針方向的火圈表示，該火圈表示磁體邊緣上正在傳播的電子/電流。這兩個錐體表明，磁體的大部分包含狄拉克費米子（能帶的線性或圓錐形色散），並具有能隙（切恩隙），使其具有拓撲結構。
該研究團隊使用了一種稱為掃描隧道顯微鏡的先進技術，該技術能夠在亞原子級以亞毫伏能量解析度探測材料的電子和自旋波函數。在這些微調的條件下，研究人員確定了晶體中的磁性籠目晶格原子，這一發現進一步得到了動量解析度的最新角度分辨光發射光譜的證實。
真正的神奇時刻是研究人員打開磁場的那一刻。他們發現，籠目晶格的電子狀態發生了劇烈的調製，從而以與Dirac拓撲一致的方式形成了量化的能級。通過逐漸將磁場提高到9特斯拉（比地球磁場高數十萬倍），他們系統地繪製出了該磁體的完整量化信息，測量的量化圖提供了精確的信息。
研究人員進一步使用其他工具來檢查並確認他們的發現，數據提供了完整的相互聯繫的證據譜。現在，該小組的理論和實驗重點轉移到了數十種與TbMn6Sn6具有相似結構的化合物，這些化合物具有具有各種磁性結構的籠目晶格，每個晶格都有其各自的量子拓撲。該研究的共同第一作者尹佳欣說：我們的這一研究「證明了一種發現新的拓撲磁體的原理方法。」
哈桑評價說：「發現具有定量行為的磁性拓撲材料是向前邁出的重要一步，可以為利用量子拓撲為未來的基礎物理學和下一代設備研究開闢新的視野。」這種展現出奇異量子效應的拓撲磁鐵的重大發現，「就像在系外行星中發現水一樣，這開闢了拓撲量子物質研究的一個新的領域。」
參考：Jia-Xin Yin et al, Quantum-limit Chern topological magnetism in TbMn6Sn6, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2482-7量子認知 | 簡介科學新知識，敬請熱心來關注。
相關焦點
-
量子研究新發現：能產生奇異量子效應的拓撲磁體
量子磁體，在無耗散電流、高存儲容量和未來綠色技術方面是一類很有應用前景的平臺。據美國&34;網站7月22日消息稱，美國普林斯頓大學領導的國際研究團隊在本周的《自然》雜誌中報導，他們在一種原始磁體中發現了量子化的拓撲相位，而這種磁體與新型量子效應相關的特性可以延伸至室溫環境中。 -
英國研究人員發現量子拓撲物質的不穩定性質
近年來，世界各地的物理學家一直研究探索物質在拓撲階段的特徵和動力學，用以促進量子裝置研發和其他新技術的發展。物質拓撲階段受到自然微觀定律的時間反轉對稱性（TRS）的影響。近期，劍橋大學的研究人員證明，受TRS保護的某些拓撲階段存在基礎性不穩定狀態，無法耦合到其周圍環境。該研究已發表於《自然物理學》，對於使用拓撲系統開發量子技術有相當價值。 -
科學家發現一種拓撲磁體：表現出奇異的量子效應
箭頭代表電子自旋從向上的指向普林斯頓大學研究人員發現了一種新的磁體研究人員在一個原始磁體中發現了一種量化拓撲相。他們的發現為一個30年前的電子如何自發量化的理論提供了解釋，並展示了一種發現新拓撲磁體的原則性證明方法。量子磁體是無耗散電流、高存儲容量和未來綠色技術的前景平臺。這一發現的根源在於量子霍爾效應的工作原理。這是拓撲效應的一種形式，是1985年諾貝爾物理學獎的主題。 -
石墨烯又出新發現：能讓電子產生拓撲量子態，革命性的巨大潛力
現在，更令人驚訝的是，物理學家發現，在一定條件下，相互作用的電子可以產生所謂的「拓撲量子態」，其研究發現發表在《自然》(Nature)期刊上，這對許多技術研究領域都有影響，尤其是信息技術。物質的拓撲態是一類特別耐人尋味的量子現象，研究結合了量子物理和拓撲學。 -
科學家發現一種拓撲磁體,表現出奇異的量子效應
普林斯頓大學研究人員領導的一個國際團隊發現了一類新的磁體，它表現出新穎的量子效應，並延伸到室溫。研究人員在一個原始磁體中發現了一種量化拓撲相。他們的發現為一個30年前的電子如何自發量化的理論提供了見解，並展示了一種發現新拓撲磁體的原則性證明方法。量子磁體是無耗散電流、高存儲容量和未來綠色技術的前景平臺。 -
高通量研究使拓撲學更具「磁性」：上百種磁性拓撲材料被發現
研究人員可以利用完整的帶拓撲理論對非磁性晶體的電子結構進行分類。然而，磁性材料的類似分類法則仍然是一個謎，因此，目前發現的磁性拓撲材料數量非常有限。《自然》雜誌當地時間10月28日發文稱，一個國際研究團隊首次對磁性拓撲材料進行了高通量研究，並由此發現了100多種新的磁性拓撲絕緣體和半金屬。 -
為量子計算鋪平道路!拓撲絕緣體材料突破登上《自然》
他們發明了一種全新材料，既具有強相關性電子相互作用，同時還具有拓撲特性的材料。這意味著，科學家們探索物理世界有了新平臺，更重要的是，他們為更穩定的量子計算鋪平了道路。這項研究和拓撲絕緣體有關，發表在了《自然》的子刊《自然-物理學》上。簡單科普一下拓撲絕緣體的概念。首先，拓撲本身是個數學概念，它研究的是「不連續」的特徵。 -
獲得諾貝爾物理學獎的 「拓撲」:開啟研究奇異物質的大門
今年的諾貝爾物理學獎獎金，一半授予美國華盛頓大學的David J.Thouless，另一半授予美國普林斯頓大學的F.Duncan M.Haldan以及布朗大學的J.Michael Kosterlitz。 -
高通量研究使拓撲學更具「磁性」
研究人員可以利用完整的帶拓撲理論對非磁性晶體的電子結構進行分類。然而，磁性材料的類似分類法則仍然是一個謎，因此，目前發現的磁性拓撲材料數量非常有限。《自然》雜誌當地時間10月28日發文稱，一個國際研究團隊首次對磁性拓撲材料進行了高通量研究，並由此發現了100多種新的磁性拓撲絕緣體和半金屬。 -
量子材料研究的新範式以精確模型計算及實驗揭示拓撲物質特性
拓撲相是以拓撲學原理研究物質分類和相變現象的新興學科，在凝聚態物理學中發展迅速，其中的Kosterlitz-Thouless (KT) 相，自1970年代提出以來，一直未有在磁性晶體材料中被發現，直到是次研究工作，終於在稀土磁體TmMgGaO4 （TMGO） 材料中找到其存在的證據。 -
諾貝爾物理學獎的「拓撲相變和拓撲相物質」是個啥?
獲獎理由是「理論發現拓撲相變和拓撲相物質」。其中，David J. Thouless獨享一半獎金，F. Duncan M. Haldane與J. Michael Kosterlitz分享另一半獎金。David J. Thouless,1934年出生於英國貝爾斯登，1958年從美國康奈爾大學獲得博士學位。目前為美國華盛頓大學榮譽退休教授。 -
我國在超冷原子量子模擬領域取得重大突破
中國證券網訊 中國科學技術大學和北京大學相關研究人員組成的聯合團隊在超冷原子量子模擬領域取得重大突破。中國科大-北大聯合團隊在國際上首次理論提出並實驗實現超冷原子二維自旋軌道耦合的人工合成，測定了由自旋軌道耦合導致的新奇拓撲量子物性。 -
科學家發現手性晶體表現出奇異的量子效應
「在我們工作之前，很少研究手性晶體中電子的量子能級特性，」 普林斯頓大學物理學教授Eugene Higgins的 M. Zahid Hasan說 。「這項決定性的工作為拓撲材料的探索開闢了一個新的大陸。」 -
對稱性與拓撲序:新型量子計算機的物理基礎|眾妙之門
在眾多理論物理學家的帶領下，加上數學家的貢獻，研究人員已將大量一維或二維空間中可能出現的「有能隙」物相進行了分類，方法是將物質與其量子糾纏結構（也被稱之為量子拓撲結構）聯繫起來。（量子拓撲結構被張量範疇學這一近代數學分支所描寫。）他們也開始探索在接近絕對零度時，三維物質可能出現的物相，這是目前研究中的空白地帶。 -
中國物理學家發現未知量子態,可通過外部磁場操控對稱性|獨家
量子發生相變時，在量子多體系統中基態的性質也會隨著外部參數變化發生突然改變。但亞原子粒子較其他粒子並不具有明顯的特徵，它們是現階段現代物理學中物質的最小組成部分，其狀態在彼此間存在強相互作用時幾乎不可能被控制，但這一現狀隨著普林斯頓大學的研究取得進展而發生了改變。 -
迄今最好的拓撲導體:螺旋樓梯結構的薄晶體
拓撲導體實驗數據圖4「在這項新工作中，我們證明了這是一種新的量子物質狀態，它也表現出近乎理想的拓撲表面特性，這是由於晶體結構的手性而產生的，」M.Zahid Hasan說到，作為伯克利實驗室材料科學部門的訪問教師科學家，他是材料理論和實驗的先驅，同時Hasan也是普林斯頓大學的物理學教授。 -
「拓撲相變」與「超級材料」的軍事應用前景
>2016年的諾貝爾物理學獎授予了三位美國科學家——戴維·索利斯、鄧肯·霍爾丹和麥可·科斯特利茨，以表彰他們在拓撲相變和物質的拓撲相方面的發現。其中，索利斯是華盛頓大學的名譽教授，霍爾丹是普林斯頓大學的物理學教授，科斯特利茨是布朗大學的物理學教授。拓撲理論的發現為後來拓撲材料的出現奠定了基礎，並對材料學、信息科學技術研究乃至拓撲量子計算等的前沿領域研究具有劃時代的意義。拓撲學(topology)是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能保持一些性質不變的學科。 -
物理史上首份「拓撲圖鑑」,鋪平科學家尋找拓撲絕緣體之路
圖丨二維拓撲絕緣體然而，普林斯頓大學物理學家Andrei Bernevig 團隊卻找到了一條捷徑。首個三維拓撲絕緣體的發現者、普林斯頓大學的 Zahid Hasan 表示，數學和物理間的相互交叉是這個領域的核心，正是拓撲的極致之美與現實的可行的交融驅使著我們不斷的探索。拓撲學是什麼？科學家們花了這麼大力氣弄這麼一個圖鑑出來，可不是閒著沒事幹。 -
獲諾貝爾獎的拓撲:開啟研究奇異物質的大門
即便非常稀薄的物質內都會含有數以百萬計的原子，即便每個原子的行為都能夠用量子力學原理進行解釋，但當大量原子聚集在一起時，它們卻會表現出完全不同的奇異性質。在二維平面上，類似的原子聚集後產生的反常行為不斷被觀察到，時至今日，專門對這類現象開展研究的凝聚態物理學已經成為物理學中的一個重要領域。今年的三位獲獎人將數學中的拓撲概念應用於相關研究，並取得了突破性的發現。 -
重大發現!南京大學科研團隊實現高階光學量子自旋霍爾效應
高校科技進展獲悉，日前，南京大學陳延峰教授團隊、王振林教授團隊合作，首次理論提出並實驗證實了高階量子自旋霍爾效應，這是高階光子拓撲絕緣體方面取得的又一重大突破性研究成果。1879年，美國物理學家霍爾在研究金屬導電機制時發現了霍爾效應。