拓?fù)鋵W(xué)領(lǐng)域或?qū)Ρ砻嬖诓煌S度上如何表現(xiàn)的研究，深刻地影響了當(dāng)前對物質(zhì)的理解。最主要的例子是拓?fù)浣^緣體，它只在表面導(dǎo)電，而在內(nèi)部完全絕緣。拓?fù)浣^緣子的行為類似于金屬，即表面上的銀，但在內(nèi)部，它的行為就像玻璃。

這些屬性是使用電子的導(dǎo)電性或流動(dòng)來定義的，這些電子描述了它們的運(yùn)動(dòng)是否有高速公路或路障。拓?fù)浣^緣體未來應(yīng)用的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因素是自旋電子器件領(lǐng)域。因?yàn)檫@些電子一致地自旋，所有電子都在表面流動(dòng)時(shí)彼此對齊。

現(xiàn)在，電氣和計(jì)算機(jī)工程研究人員首次提出：這種相同的電子電導(dǎo)率會(huì)影響原子物質(zhì)內(nèi)部光的拓?fù)鋵傩?。普渡大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程副教授祖賓·雅各布表示：研究表明，物質(zhì)可能存在一種新的拓?fù)湎?，光只在原子材料的邊緣流?dòng)，而不在原子材料內(nèi)部流動(dòng)?？赡艽嬖谝恍┓浅Ｌ厥獾牟牧?，具有這種獨(dú)特的光子特性，這就是物質(zhì)的量子自旋電相。物質(zhì)這一相的另一個(gè)關(guān)鍵定義性質(zhì)是被稱為“光子斯格明子”的拓?fù)浼ぐl(fā)。在傳統(tǒng)的磁鐵中，電子自旋可以被認(rèn)為是相互對準(zhǔn)或反對準(zhǔn)的微小箭頭。

與之形成鮮明對比的是：斯格明子是自旋激發(fā)，顯示出自旋獨(dú)特的翻滾行為，對刺激非常穩(wěn)定，可用于自旋電子開關(guān)和存儲(chǔ)器。量子自旋電相在光波的能量動(dòng)量空間中承載著斯格明子，可以用作這種物質(zhì)相的確鑿證據(jù)。這種材料可以通過“摻雜”或改變現(xiàn)有材料的原子結(jié)構(gòu)來合成，尋找這一相的好地方是在二維材料中，如石墨烯。Jacob和博士生Todd Van Mechelen在《光學(xué)材料快報(bào)》發(fā)表了一系列四篇研究論文，提出了物質(zhì)這一相的理論。

未來的研究將探索摻雜二維材料以實(shí)現(xiàn)量子自旋電相，并研究光波如何在材料的邊緣傳播。通過利用狄拉克-麥克斯韋對應(yīng)，研究引入了適用于光子晶體、超材料和二維材料的光子狄拉克單極子概念。從探索真空開始，在真空中，麥克斯韋方程和狄拉克方程(Weyl方程)的倒數(shù)動(dòng)量空間都具有磁單極子。最關(guān)鍵的區(qū)別是磁性單極電荷的本質(zhì)，它對于光子來說是整數(shù)值，對于電子來說是半整數(shù)。這種固有的差異直接與自旋有關(guān)，并最終與玻色子或費(fèi)米子行為相連。

研究還展示了光子狄拉克弦的存在，這是底層Berry規(guī)范勢中的線奇點(diǎn)。雖然真空中的結(jié)果是直觀預(yù)期的，但結(jié)果是將這種拓?fù)涞依?麥克斯韋對應(yīng)應(yīng)用于二維光子(玻色子)材料，而不是傳統(tǒng)的電子(費(fèi)米子)材料。有趣的是，在色散物質(zhì)中，光子狄拉克單極的存在是由非局域量子霍爾電導(dǎo)率(即時(shí)空色散的回電常數(shù))捕獲。對于二維光子和電子介質(zhì)，拓?fù)湎喑霈F(xiàn)在具有破缺時(shí)間反轉(zhuǎn)對稱性的大質(zhì)量粒子下。研究揭示了新提出的物質(zhì)量子自旋電相，以及光子自旋量子化在拓?fù)洳Ｉ嘀械幕咀饔谩?/p>

博科園｜文：Emil Venere/phys

參考期刊《光學(xué)材料快報(bào)》

DOI: 10.1364/OME.9.000095

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