氫離子如何掀起量子科技革命

研究人員發現了一種創新方法，可利用氫離子操控磁性外爾半金屬的電子特性。透過調整材料的電子能帶結構，他們能控制電子傳輸的手性，為量子計算（利用如疊加和糾纏等量子力學現象進行運算）以及奈米自旋電子學領域帶來了開創性應用的可能性。

由紐約市立大學城市學院的莉婭·克魯辛 - 埃爾鮑姆（Lia Krusin-Elbaum）領導的物理學家團隊，研發出了一項創新技術，即利用氫陽離子（H⁺）控制磁性外爾半金屬的電子特性。這類稱為拓撲材料的物質，能讓電子表現得如同無質量的外爾費米子。這些獨特粒子具有一種稱為手性（或稱左右旋性）的特性，將其自旋和動量聯絡起來。

研究人員聚焦於磁性材料MnSb₂Te₄，他們發現引入氫離子能有效調諧和增強電子傳輸的手性。此過程以可控方式重塑了材料的能量特徵，也就是所謂的外爾節點。他們的發現可能為利用拓撲態的新型量子裝置鋪平道路，在先進的手性奈米自旋電子學和容錯量子計算方面具有潛在應用。

他們的研究成果發表在《自然通訊》（Nature Communications 是一本開放存取、同行評審的期刊，發表自然科學各領域的高質量研究，包括物理、化學、地球科學和生物學。該期刊是自然出版集團的一部分，於2010年創刊。《自然通訊》旨在促進重要研究成果的快速傳播，並促進科學家之間的多學科合作與交流。）上，論文標題為《範德瓦爾斯拓撲磁體中外爾節點可調傾斜產生的傳輸手性》，證明瞭這項技術在拓展量子技術可能性方面的潛力。

利用H⁺調諧外爾節點可修復系統的（Mn - Te）鍵缺陷，並降低節點間的散射。在紐約市立大學城市學院團隊於克魯辛實驗室利用角分辨電輸運進行的這項測試中，當平面內磁場順時針或逆時針旋轉時，電荷移動方式不同，從而產生理想的低耗散電流。重塑的外爾態具有翻倍的居里溫度，以及與罕見的場反對稱縱向電阻同步的強角傳輸手性—— 這是一種基於拓撲貝裡曲率、手性反常和氫介導形式的外爾節點相互作用的低場可調「手性開關」。

紐約市立大學城市學院科學系教授克魯辛 - 埃爾鮑姆表示，這項研究的主要進展在於超越自然藍圖，拓展了可設計拓撲量子材料的範圍。氫或其他輕元素透過缺陷相關途徑促成的可調拓撲能帶結構，增加了可用於探索和利用具有驚人宏觀行為的拓撲相的平臺，為未來量子裝置中基於手性的潛在突破性應用開闢了道路。

克魯辛實驗室的研究重點在於探索諸如量子反常霍爾（QAH）效應等新型量子現象，量子反常霍爾效應描述的是一種在其表面以離散通道傳導無耗散電流的絕緣體、二維超導性，以及具有量子化熱傳輸特徵的軸子態現象，所有這些若實現產業化，都有可能推進節能技術。克魯辛 - 埃爾鮑姆及其團隊表示，他們展示的這項技術非常通用，最終可能提升本徵拓撲磁體在改變未來量子電子學方面的潛力。

參考文獻：《範德瓦爾斯拓撲磁體中外爾節點可調傾斜產生的傳輸手性》，作者阿夫林·N·塔曼納（Afrin N. Tamanna）、阿耶莎·拉克拉（Ayesha Lakra）、丁夏欣（Xiaxin Ding）、恩泰拉·布齊（Entela Buzi）、樸京華（Kyungwha Park）、卡米爾·索布查克（Kamil Sobczak）、鄧海明（Haiming Deng）、加爾吉·沙爾馬（Gargee Sharma）、蘇曼塔·特瓦里（Sumanta Tewari）和莉婭·克魯辛 - 埃爾鮑姆，2024年11月13日發表於《自然通訊》。DOI：10.1038/s41467 - 024 - 53319 - w

紐約市立大學城市學院的哈林量子材料中心是該研究的合作夥伴。該中心致力於解決新型功能材料系統中具有重要科學和技術意義的基本問題。此研究部分由美國國家科學基金會資助。