拓扑量子器件已产生

诸平

Illustration of the first quantum semiconductor device where the topological skin effect was achieved. The flow of electrons (blue circle) along the edge, ensures unmatched robustness despite material deformations or other external perturbations. This quantum semiconductor signifies a breakthrough in the development of tiny topological electronic devices. (Image: Christoph Maeder / pixelwg)

据德国维尔茨堡大学（University of Würzburg）2024年1月22日提供的消息，来自德国和法国的量子物理学家取得了重大突破。他们创造了一种半导体器件，通过量子现象确保了出色的稳健性和灵敏度，这意味着拓扑量子器件已产生（Topological Quantum Device Produced）。

半导体器件（Semiconductor devices）是现代电子器件中控制电子流的微小开关元件。它们为无处不在的高科技产品提供动力，比如手机、笔记本电脑、汽车传感器，以及最先进的医疗设备。然而，材料杂质或温度变化会破坏电子的流动，导致不稳定。

但是现在，来自维尔茨堡-德累斯顿量子物质的复杂性和拓扑学卓越集群（Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat-Complexity and Topology in Quantum Matter）的理论和实验物理学家，已经开发了一种由砷化铝镓(AlGaAs)制成的半导体器件。这种装置的电子流通常容易受到干扰，但被一种拓扑量子现象（topological quantum phenomenon）所保护。这项开创性的研究2024年1月18日已经在《自然物理学》（Nature Physics）杂志网站发表——Kyrylo Ochkan, Raghav Chaturvedi, Viktor Könye, Louis Veyrat, Romain Giraud, Dominique Mailly, Antonella Cavanna, Ulf Gennser, Ewelina M. Hankiewicz, Bernd Büchner, Jeroen van den Brink, Joseph Dufouleur, Ion Cosma Fulga. Non-Hermitian topology in a multi-terminal quantum Hall device. Nature Physics, 2024. DOI: 10.1038/s41567-023-02337-4. Published: 18 January 2024. https://www.nature.com/articles/s41567-023-02337-4

参与此项研究的有来自德国德累斯顿的莱布尼茨固体与材料研究所（Leibniz Institute for Solid State and Materials Research, IFW Dresden, Dresden, Germany）、德国维尔茨堡-德累斯顿量子物质中的复杂性和拓扑学(Complexity and Topology in Quantum Matter简称ct.qmat）卓越集群（Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat, Dresden, Germany）、德国维尔茨堡大学（Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Würzburg, Germany）、德国德累斯顿工业大学（TU Dresden, Dresden, Germany）；法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学（Université Grenoble Alpes）、法国国家科学研究中心（CNRS）、法国原子能委员会（CEA）、法国 格勒诺布尔国立理工学院（Grenoble-INP）、法国自旋电子中心（Spintec）以及法国巴黎-萨雷大学和法国科学研究中心合办的纳米科学与纳米技术中心（Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France）的研究人员。

“由于拓扑趋肤效应（topological skin effect），量子半导体上不同触点之间的所有电流都不受杂质或其他外部扰动的影响。这使得拓扑器件对半导体工业越来越有吸引力。它们消除了目前推高电子制造成本的极高材料纯度的需求，”德累斯顿莱布尼茨固态和材料研究所理论固体物理研究所（Institute for Theoretical Solid State Physics at the Leibniz Institute for Solid State and Materials Research in Dresden）所长、ct.qmat首席研究员杰伦·范·登·布林克（Jeroen van den Brink）教授解释说。

拓扑量子材料以其卓越的鲁棒性而闻名，非常适合于功率密集型应用。“我们的量子半导体既稳定又高度精确——这是一种罕见的组合。这使我们的拓扑器件成为传感器工程中令人兴奋的新选择。”

极其稳健和超精确（Extremely Robust and Ultra-Precise）

利用拓扑趋肤效应（topological skin effect），新型的高性能电子量子器件也可以非常小。“我们的拓扑量子器件直径约为0.1 mm，并且可以轻松地进一步缩小，”杰伦·范·登·布林克透露。来自德累斯顿和维尔茨堡的物理学家团队取得的这一成就的开创性方面是，他们首先在半导体材料的微观尺度上实现了拓扑趋肤效应。三年前，这种量子现象最初在宏观层面上得到了证明，但只是在人工超材料上，而不是在自然材料上。因此，这是第一次开发出一种既具有高度鲁棒性又具有超灵敏度的基于半导体的微型拓扑量子器件。

“在我们的量子器件中，电流-电压关系受到拓扑趋肤效应的保护，因为电子被限制在边缘。即使在半导体材料中有杂质的情况下，电流也保持稳定，”杰伦·范·登·布林克解释说。他继续说道:“此外，触点甚至可以检测到电流或电压的最轻微波动。这使得拓扑量子器件非常适合制造高精度传感器和小直径放大器。”

创新实验带来发现（Innovative Experimentation Leads to Discovery）

通过创造性地排列AlGaAs半导体器件上的材料和触点，在超冷条件和强磁场下诱导拓扑效应，取得了成功。“我们真的把拓扑趋肤效应从设备中去除了，”杰伦·范·登·布林克解释道。该研究小组采用了二维半导体结构，触点的排列方式可以测量触点边缘的电阻，从而直接揭示拓扑效应。

不同地区的联合研究（United Research in Different Locations）

自2019年以来ct.qmat一直在维尔茨堡和德累斯顿研究拓扑量子材料，探索它们在超低温、高压或强磁场等极端条件下的非凡行为。

最近的突破也是两个地区的集群科学家们持续合作的结果。这个新的量子装置是在固体和材料研究所（IFW Dresden）构想出来的，是来自维尔茨堡大学的理论物理学家以及德累斯顿的理论和实验研究人员共同努力的结果。该装置在法国生产后，在德累斯顿进行了测试。杰伦·范·登·布林克和他的同事们现在致力于进一步探索这一现象，旨在利用它进行未来的技术创新。

ct.qmat卓越集群（Cluster of Excellence ct.qmat）

ct.qmat卓越集群即量子物质的复杂性和拓扑结构（Complexity and Topology in Quantum Matter简称ct.qmat）卓越集群自2019年以来一直由德国维尔茨堡大学（Julius-Maximilians-Universität简称JMU Würzburg, Würzburg, Germany）和、德国德累斯顿工业大学（Technische Universität简称TU Dresden, Dresden, Germany）联合运行。来自30多个国家和四大洲的300多名科学家研究拓扑量子材料，这些材料在超低温、高压或强磁场等极端条件下揭示了令人惊讶的现象。ct.qmat由德国联邦和州政府的卓越战略资助，是德国唯一一个位于两个不同联邦州的卓越集群。

这项工作得到了法国国家科学研究中心（CNRS）协调的微技术及纳米技术领域高端设施网（RENATEC）、DIM NANO-K的资助，另外也得到了德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft简称DFG)在德国卓越战略下，通过德国维尔茨堡-德累斯顿量子物质复杂性和拓扑学（ct.qmat）卓越集群给予的支持{ Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) under Germany’s Excellence Strategy through the Würzburg-Dresden Cluster of Excellence on Complexity and Topology in Quantum Matter—ct.qmat (EXC 2147, project ids 390858490 and 392019)}。也有来自欧盟H2020 FET前瞻性项目TOCHA(European Union’s H2020 FET Proactive project TOCHA No. 824140)的资助以及莱布尼茨协会通过莱布尼茨竞赛（Leibniz Association through the Leibniz Competition）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Quantum devices characterized by non-Hermitian topology are predicted to show highly robust and potentially useful properties for precision sensing and signal amplification. However, realizing them has remained a daunting experimental task, as non-Hermiticity is often associated with gain and loss, which would require precise tailoring to produce the signatures of non-trivial topology. Here, instead of gain and loss, we use the non-reciprocity of quantum Hall edge states to directly observe non-Hermitian topology in a multi-terminal quantum Hall ring. Our transport measurements evidence a robust, non-Hermitian skin effect, characterized by currents and voltages showing an exponential profile that persists across Hall plateau transitions away from the regime of maximum non-reciprocity. Our observation of non-Hermitian topology in a quantum device introduces a scalable experimental approach to construct and investigate generic non-Hermitian systems.