宾夕法尼亚州立大学的科学家将量子物理的两个分支融合在单一材料中，为研究复杂的电学效应提供了一种更简便的方法。
宾夕法尼亚州立大学和圣路易斯大学的科学家证实，一种磁性量子材料能够天然地产生不寻常的量子行为，而此前研究人员主要通过特殊设计的光学和电子系统来探索这类现象。这一突破可能为先进传感器以及超越传统电子器件能力的未来量子器件开辟一条实用道路。
研究团队将量子研究中两个快速发展的领域结合起来，利用磁性拓扑材料来研究非厄米物理，这一新兴领域主要考察具有非传统行为的系统。他们的发现发表在《科学进展》上，表明这种材料本身就能产生这些效应，无需依赖复杂的人工平台。
天然量子平台
非厄米物理正吸引着越来越多的关注，因为它能预言标准物理模型难以解释的行为。某些系统会对极微小的扰动变得异常敏感，这使它们对传感技术具有吸引力；另一些系统则迫使电流或量子态聚集在特定位置，而不是均匀地分布在整个器件中。
研究人员利用量子反常霍尔绝缘体展示了这些效应。这是一种磁性拓扑材料，其内部会阻断电流通过，但允许电子仅沿其边缘单向传输。
这种单向运动自然地形成了具有方向性的电传输路径。传统的电子网络通常在两个方向上行为相同，而量子反常霍尔材料打破了这种对称性，使信号能够根据方向的不同而以不同方式传播。
“我们想证明这些现象可以在量子材料中自然涌现，”宾夕法尼亚州立大学电气工程系助理教授莫尔塔扎·卡亚哈说。他表示，这项工作为利用量子材料构建可扩展的非厄米系统奠定了基础，而不必仅依赖基于光学或电路的设计。
边缘态揭示物理机制
研究团队利用宾夕法尼亚州立大学二维晶体联盟制造的磁性掺杂碲化铋锑薄膜，制备了环形器件。与传统的量子霍尔器件不同，这些材料在磁化后无需外加磁场，使得实验大为简化。
“这一量子反常霍尔平台的一个关键优势是，材料磁化后，可以在零外加磁场下研究手性边缘态，”卡亚哈说。他还补充道，这一特点使其成为探索电子量子材料中非厄米行为的一个很有前景的平台。
科学家们在每个微型环周围连接了多个电接触点，并追踪电信号在它们之间的传输情况。这些测量结果使研究人员得以重构材料的电导网络，并将其与著名的Hatano-Nelson理论模型进行对比。
实验揭示了非厄米趋肤效应的特征，即量子态集中在系统的一端，而不是保持均匀分布。此前研究人员已在人工设计的平台中观察到这一现象，但在一类拓扑量子材料中展示这一效应，则是一项重大进展。
迈向实用器件
团队还证明，他们可以通过栅极电压来调节材料的行为，这为研究电传输如何影响非厄米动力学提供了另一种手段。虽然这项工作侧重于基础物理，但其影响可能远不止于此。将拓扑量子材料与非厄米物理相结合，最终可能实现能够响应极微小电信号、磁信号及其他环境信号的超灵敏探测器。
卡亚哈表示，磁性拓扑绝缘体为解答有关量子传输和拓扑的基础问题提供了一个灵活的平台。他指出，其所用的制备方法已经支持商业规模的制造。下一步的挑战是找到能够充分利用这些新近展示的量子效应的实际传感应用。
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