許多量子效應只能在極低的溫度下產生，這限制了它們在現實世界中的作用。現在，普林斯頓大學的研究人員展示了一種在室溫下發生在材料中的奇異量子態。

拓撲絕緣體是一種具有以獨特方式傳導電子的結構的材料。該材料的大部分是絕緣體，完全阻止電子流過。然而，在其表面和邊緣的薄層是高度導電的，允許電子以高效率自由流動。鑑於這些奇怪的特性，拓撲絕緣體可以承載一些耐人尋味的量子態，對構建未來的量子技術可能很有用。

但當然也有一個問題：大多數量子態是非常脆弱的，在面對乾擾時就會崩潰。熱，或熱噪聲，是一個主要的觸發因素–當材料變暖時，其中的原子會以更高的能量振動，這就破壞了量子態。因此，大多數利用量子效應的實驗和技術需要在接近絕對零度的溫度下進行，在那裡，原子的運動會直接減慢。但這反過來又使這些技術在更廣泛的使用中不切實際。

在新的研究中，普林斯頓大學的研究人員找到了一種解決方法，在室溫下觀察拓撲絕緣體的量子效應。他們選擇的材料是一種被稱為溴化鉍的無機晶體化合物。

這種材料被發現具有恰到好處的帶隙，這是一個絕緣的“屏障”，電子無法在其中存在某些能量水平。這個帶隙需要足夠寬，以防止熱噪音，但又不能太寬，以免破壞電子的自旋-軌道耦合效應，這對保持電子的穩定至關重要。溴化鉍被發現有一個超過200毫電子伏特的帶隙，正好在室溫下保持量子狀態穩定的“最佳位置”。

研究小組通過觀察所謂的量子自旋霍爾邊緣狀態證實了他們的發現，這是這些拓撲系統所特有的屬性。研究人員說，這一突破將有助於推動自旋電子學等量子技術的發展，自旋電子學是一個新興領域，它以比目前電子產品更高的效率將數據編碼在電子的自旋中。

“這實在是太可怕了，我們在沒有巨大壓力或超高磁場的情況下發現了它們，從而使這些材料更容易用於開發下一代量子技術，”該研究的共同第一作者Nana Shumiya說。“我相信我們的發現將大大推動量子前沿的發展。”

這項研究發表在《自然材料》雜誌上。