《自然·物理学》：中美联合团队发现了首个天然量子绝缘体

抖音推荐 2025年07月26日 20:17 1 admin

一种前所未有的量子材料正在重新定义物理学家对物质状态的理解。中美联合研究团队在Ta₂Pd₃Te₅晶体中发现了首个天然存在的拓扑激子绝缘体，这种材料不仅能够自发形成电子-空穴对凝聚态，更令人惊讶的是其动量序参量可通过外加磁场连续调控。这一突破性发现发表在《自然·物理学》期刊上，为量子技术的发展开辟了全新道路。

双重量子凝聚的意外发现

Ta₂Pd₃Te₅材料展现出的量子行为远超研究团队的预期。通过扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱技术，北京理工大学与普林斯顿大学的科学家们观察到了两个截然不同的激子凝聚态。在约100开尔文温度下，材料首先进入零动量激子凝聚态，电子-空穴对静止不动地形成绝缘相。随着温度进一步降低至5开尔文附近，系统发生了戏剧性的转变：激子对开始集体运动，形成有限动量凝聚态，并在材料表面产生可观测的超晶格调制图案。

图释：拓扑激子绝缘子的艺术插图：激子在大部分材料中凝结，形成集体绝缘相，而拓扑保护的边缘模式沿样品边界自由传播。图片来源：Md Shafayat Hossain

这种双重凝聚现象在凝聚态物理学中极为罕见。论文第一作者Md Shafayat Hossain形象地描述道："这就像发现水结冰时，冰晶不是静止的，而是集体滑行旋转。"更令人兴奋的是，研究团队发现通过施加外磁场，可以连续调节有限动量凝聚态的波矢，实现了对量子态的精确操控。

热容测量进一步证实了这些相变的真实性，排除了实验误差的可能性。这种在单一材料中观察到的多重量子相变，为理解强关联电子系统的复杂行为提供了全新视角。

理论突破与技术挑战的跨越

激子绝缘体概念自1960年代由物理学家内维尔·莫特提出以来，一直是理论物理学的重要预言。激子作为电子和空穴的束缚态，在低温条件下可能发生宏观量子相干，形成类似超导体的凝聚态。然而，在实验中观测到这种现象一直面临巨大挑战。

以往的研究主要局限于人工制备的二维材料系统，如单层WTe₂或精心设计的范德华异质结构。这些体系虽然能够实现激子绝缘体态，但制备过程复杂，稳定性有限，难以满足实际应用需求。相比之下，Ta₂Pd₃Te₅作为天然存在的三维块体材料，在无需外部干预的情况下自发展现激子绝缘体行为，这种内禀特性使其在技术应用方面具有巨大优势。

拓扑保护特性的加入更是锦上添花。拓扑材料因其独特的能带结构而具有极强的鲁棒性，即使在存在杂质或缺陷的情况下，其表面态仍能保持导电性。这种特性自2016年拓扑相变研究获得诺贝尔物理学奖以来，一直是凝聚态物理学的研究热点。

技术应用前景与产业影响

这一发现的技术意义远远超出了基础科学研究的范畴。拓扑激子绝缘体的独特性质为多个技术领域带来了革命性的可能性。在电子器件方面，材料的拓扑保护边缘态可以实现无散射的电流传输，这意味着未来的电子设备可能实现零能耗运行，彻底解决设备发热问题。

在量子计算领域，这种材料的强关联特性和拓扑保护可能为构建更稳定的量子比特提供新的物理基础。传统量子计算系统面临的最大挑战之一是量子态的脆弱性，而拓扑保护机制有望显著提高量子信息的存储和处理能力。

光电子技术也将从中受益。材料的动量可调特性使其在可控光学器件开发方面具有巨大潜力，可能实现通过磁场调节材料光学性质的新型器件，为光通信和显示技术带来突破。

研究团队已经开始探索类似化合物，并着手进行器件化测试。他们正在研究材料的输运特性，以评估其在实际器件中的表现。这种从基础发现到应用探索的快速转化，体现了现代材料科学研究的高效性。

Hossain表示，这一发现"开启了一扇通往未知量子世界的大门"，就像发现第一颗宜居系外行星一样，预示着更多类似材料的存在。随着研究的深入，科学家们有望在更多材料中发现类似的量子态，推动整个量子材料领域的快速发展。

这项研究不仅展示了中国科学家在前沿物理学研究中的实力，更体现了国际合作在推动科学进步中的重要作用。从理论预言到实验验证，从基础研究到应用探索，这一发现为人类理解和利用量子世界的奇妙性质又迈出了重要一步。

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