新型量子材料设计攻略：年轻博后4步搞定创新思路

量子计算机迈向实际应用的主要瓶颈，就是量子比特极其“娇气”，哪怕是微小的温度变化、磁场扰动或振动，都会导致量子比特失去其量子态，造成信息丢失，从而影响计算的可靠性。一个可能的解决方法是利用拓扑保护，但实际材料中拓扑材料相对稀有。

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如今，一位年轻的中国学者发现解决问题的突破口。他们的研究团队放弃苦寻天然稀有材料的旧路，另辟蹊径，利用磁性为脆弱的量子比特穿上“防护甲”，使其免受环境干扰，从而成功设计出一种新型量子材料。这一创新方法有望显著提高量子计算机的稳定性。

撰文|路飞

今年3月，瑞典查尔姆斯理工大学玛丽·居里博士后陈光泽，联合芬兰阿尔托大学和赫尔辛基大学，共同宣布一项突破性研究成果：通过利用磁性保护量子态免受环境干扰的影响，他们成功设计了一种新型量子材料。这一创新方法有望显著提高量子计算机的稳定性，为更实用、更抗干扰的量子计算平台铺平道路。

量子计算机的核心计算单位——量子比特，由于具备叠加和纠缠等独特的量子现象，有望处理传统超级计算机无法解决的特定复杂问题。然而，这些量子比特极其“娇气”，哪怕是微小的温度变化、磁场扰动或振动都会导致量子比特失去其量子态，造成信息丢失，从而影响计算的可靠性。这一问题成为量子计算机迈向实际应用的主要瓶颈。

近年来，科学家尝试通过拓扑结构保护量子态的稳定性。这些通过材料结构自发维持的量子态被称为拓扑激发，它们能够显著提升量子比特的抗干扰能力。然而，找到天然支持稳定拓扑量子态的材料一直是科学界的一大挑战。

传统研究中，“拓扑近藤绝缘体”的拓扑特性依赖于局域f电子强烈的自旋轨道耦合（SOC）。SOC是一种量子效应，它将电子的自旋与其围绕原子核的轨道运动联系起来，在重元素中尤为显著。对于近藤体系，SOC不仅影响了f电子的能级结构，还在与导带电子杂化时诱导能带反转并打开拓扑非平庸能隙，从而在能带结构中实现拓扑保护的表面态。正因为SOC的作用至关重要，自然界中像SmB₆这样同时具备强关联效应与强SOC的f电子材料极为稀少，这也严重限制了拓扑近藤绝缘体的探索范围。

在此背景下，研究团队提出了一种基于一维人工近藤晶格的新方案，通过多体近藤物理（量子磁性的集体效应）驱动拓扑激发的产生，摆脱了对强自旋轨道耦合的依赖。陈光泽表示，“我们的研究首次在理论上证明了多体近藤相互作用可以独立驱动拓扑零模的出现，这为拓扑材料的设计开辟了新的途径。相较于传统基于稀缺‘自旋-轨道耦合’的研究路径，磁性更为常见，这为量子计算机平台的材料选择打开了新天地。”

陈光泽团队的研究，就像在原子世界里搭出了一套“量子磁积木”：用电子和磁矩的“集体协作”，代替了稀有的材料特性，造出了能稳定导电的拓扑零模。把拓扑相的“驱动力”从“材料自身的特殊属性”（强自旋轨道耦合），转向“人工调控的多体相互作用”，相当于让拓扑材料的研发从“靠找稀有材料”变成“靠设计相互作用”。2025年3月18日，这项研究成果发表于《物理评论快报》。

不去找稀有材料，去造一维近藤晶格

拓扑近藤绝缘体是凝聚态物理的“明星材料”，它的物理机制奇特，主要建立在两大基石上——近藤效应和拓扑绝缘体。

近藤效应是金属里的一种奇特低温现象。想象在铜这样的金属里加进一个带磁性的杂质原子（比如锰），它就像一颗“小磁针”，会影响周围电子的运动。高温时，电子动得快，杂质的磁性只会稍微增加散射，电阻仍然随温度降低而下降。但在低温下，电子的量子效应显现出来：很多电子自旋会协同作用，把这颗“小磁针”逐渐“包裹”并屏蔽掉。结果就是，电阻不再一直下降，而是在某个温度附近出现一个“谷底”，这就是近藤效应最直观的实验信号。

绝缘体的核心特点，就是自由电子极少，或者电子被能量墙困住——这道墙叫“禁带”。与普通绝缘体不同，拓扑绝缘体的体内电子被“禁带”困住，无法自由移动，所以绝缘；但在表面却存在一层特殊的“拓扑保护电子态”——这些态都受拓扑性质保护，不容易被杂质或缺陷破坏，因此能稳定地传导电子。

拓扑近藤绝缘体是上述两种效应的“双剑合璧”：体内绝缘源自近藤杂化打开的能隙，而表面导电态则由拓扑保护赋予。这两种效应并非简单相加，而是相互依存、协同作用——近藤效应提供绝缘体基态，SOC驱动能带反转并产生拓扑表面态。这让拓扑近藤绝缘体既区别于普通近藤绝缘体（无表面导电态），也区别于普通拓扑绝缘体（表面态不依赖近藤效应）——它是多体相互作用（近藤效应）驱动的拓扑材料。

“拓扑近藤绝缘体可以通过“近藤效应+SOC诱导的拓扑”来构造。那么，如果能够直接利用近藤体系自身的磁性来诱导拓扑，而不是依赖额外的SOC，这岂不是更为理想？”陈光泽自问道。他博士期间在芬兰阿尔托大学研究二维材料中的新奇物态，包括量子自旋液体、重费米子等；博士后期间，他到了瑞典查尔姆斯理工大学，转向更前沿的开放量子系统和量子模拟。经过博士期间的学习，他觉得磁性在电子相互作用中非常重要，所以在研究量子开放系统的时候，他考虑到了磁性原子。

通过利用磁相互作用（由红色和蓝色箭头表示）来创建具有强大量子特性的材料的新策略。绿色的小球体代表电子可以驻留并沿链移动的位点。特殊的磁性原子（带箭头的紫色球体）在某些位置与电子相互作用，如蓝色云所示。|图源：论文

于是，陈光泽决定不去找稀有材料，而是自己动手造一个“一维人工近藤晶格”——原子级小链条。

要让电子形成“边缘通道”，首先得限制电子的运动方向。这在以往的研究中有不少方法，比如可以利用两个镜像对称的二维材料的边界（“孪晶界”）来实现一条“细长的跑道”，让电子只能沿着这条“跑道”移动（这就是“一维电子气”）；有了“跑道”，下一步就是让电子和磁矩发生“协作”。团队设想进一步在这条“跑道”上精确布置磁性原子（如钴、铁），使其充当“近藤自旋位点”，与通道电子产生近藤效应。鉴于扫描隧道显微镜（STM）操控单原子的技术已经成熟，这一方案在实验上具备实现的可能性。

就这样，一个“人工近藤晶格”就搭好了：电子在“跑道”上跑，遇到磁性原子就发生“屏蔽协作”，形成了独特的量子态。

当团队用“张量网络”（一种能精确计算原子量子行为的数学工具）模拟这个晶格时，发现了一个“反常识现象”：当电子和磁性原子的协作强度足够大时，在晶格的两端边缘，出现了一种“零能量电子态”——“拓扑零模”。

当体系无穷大时，这些拓扑零模的能量被严格钉扎在零点，不随体系参数的微小变化而改变；当体系有限大时，它们的能量仍稳定地分布在零点附近。

进一步地，即使研究人员在晶格中引入“杂质”（例如改变某些位点的能量，或打乱电子的跃迁规律），这些端点零模依然稳定存在，不会被消除或移出零能量。这正是拓扑保护的标志：零模对局部扰动不敏感，因而具有稳固性。

实验中出现拓扑零模，理论上如何说得通呢？

近藤晶格是典型的“强关联多体系统”（电子、自旋相互作用复杂，类似一堆缠绕的线团），直接分析其拓扑本质非常困难。传统研究要么回避多体效应，要么只能做近似计算，难以说清“拓扑零模到底从哪来”。

物理理解

为了搞懂零模的起源，团队做了一个“理论翻译”——把复杂的近藤晶格，转换成两个更简单的模型，一下就把问题厘清了。

“这是当时最困扰我们思路的一环，计算结果显示是拓扑零模，我们需要去找理论支撑，证明结论是对的。学界关于单体拓扑态的研究是比较透彻的，我们就寻思着做一个转化。”陈光泽提及研究过程中遇到的困难，“我们搞理论物理的，必须回到理论中找答案。”

在“近藤晶格”里，磁性原子（磁矩）与传导电子的相互作用极其复杂，难以直接求解。理论上常用的一种方法，是把磁矩表示为一种叫“赝费米子”的粒子（可以直观地理解为“带磁性的电子”）。这样一来，原本复杂的电子–磁矩相互作用就变成了电子–赝费米子的相互作用。进一步在平均场近似下，可以得到一个类似周期性安德森模型的有效理论：当赝费米子之间的排斥足够强时，这个模型的物理表现与近藤晶格一致。换句话说，就像用“带磁的小球”来近似“小磁铁”，虽然处理方式改变了，但平均场下得到的效应与原始体系相符。

平均场的引入使得直观的物理理解成为可能。进一步地，团队借助“戴森方程”（一种处理粒子相互作用的工具），从周期性安德森模型得到一个性质明确的非厄米有效模型。这个模型揭示了关键：当电子和赝费米子的耦合强度足够大时，体系的电子结构会进入拓扑非平庸相。简单说，就是电子的运动轨迹形成了“特殊的闭环”，这种拓扑属性保证了在边界上会出现受保护的零能量模。

多体拓扑不变量的计算

光观察到零模还不够，得证明它是货真价实的拓扑态，不是偶然出现的。可问题在于：在多体体系里，要严格定义和计算拓扑不变量一直是难题。传统拓扑指标大多依赖单粒子能带，可在强关联系统中，能带图像早就模糊不清了。过去研究只能借助谱函数里的零能信号来“间接猜测”拓扑属性，但这种方法既不精确，也缺乏说服力——就好比看到一只动物有翅膀，就推断它是鸟，却拿不出正式的“物种鉴定证书”（拓扑不变量）。

团队提出的“关联矩阵泵浦法”解决了这个瓶颈。它首次在强关联近藤体系中，直接计算出了量子化的多体拓扑不变量（几何相Φ=±π）。真正的突破在于，他们严格证明了：某些多体拓扑性质完全可以由单粒子关联矩阵来刻画。换句话说，本来需要在庞大的多体希尔伯特空间里定义的不变量，现在等价于在一个低维矩阵上就能算出来。

更妙的是，这个关联矩阵的大小只是和体系规模线性相关，而不是指数爆炸。于是，即使用相对简单的计算方法（对角化）也能轻松得到拓扑不变量。利用这一方法，团队清楚地证明：近藤晶格里的边界零模确实是货真价实的拓扑态，终于为它盖上了一枚“拓扑身份证”。

从理论研究走向器件应用

这篇文章于2024年10月2日投稿，2025年2月21日收到录用通知，3月18日正式见刊。整个投稿审稿流程非常顺利，审稿人称"这个想法非常新颖，因为它通过将磁性杂质耦合到一维晶格的特定部分，提供了一种构筑拓扑体系的新途径。"

拓扑零模要想用于器件（如量子比特），必须满足在实际环境中稳定——但传统研究中的零模往往“脆弱”：要么一遇到“材料杂质”（无序）就消失，要么一有“能量损耗”（如局域粒子寿命有限）就破坏，很难落地应用。

那这篇论文中提到的拓扑零模稳定性如何呢？研究人员通过实验参数模拟，证明了该拓扑零模不仅在理论上稳定，还能在“有杂质、有损耗”的实际环境中稳定存在——这是从理论研究走向器件应用的关键一步，为后续设计抗干扰的拓扑量子器件（如基于零模的量子存储单元）提供了理论基础。

团队计划进一步探索这一新型拓扑系统在量子计算和量子信息领域的潜在应用，并与实验物理学家合作，通过扫描隧道显微镜等技术在范德华材料中实现人工近藤晶格，验证理论预测。

陈光泽的求学和研究之路，如果从本科算起，经过硕、博，再到博后研究，前后辗转了中国-瑞士-芬兰-瑞典四个国家。等博后出站后，他更愿意找机会回国发展。脸上仍带有几分稚气的陈光泽说：“我是一个在路上的青年人。”

陈光泽简介：陈光泽1997年出生于四川。2013年考入中国科学技术大学少年班，2017年取得物理学学士学位。2017年前往瑞士苏黎世联邦理工攻读硕士学位，2019年前往芬兰阿尔托大学攻读博士学位，师从JoseL.Lado教授。其研究与二维材料实验紧密结合，研究特色在于将多体物理、拓扑结构与计算方法深度融合，探索人工量子材料中的新型激发态及其操控机制。2024年至今，在瑞典查尔姆斯理工大学担任玛丽·居里博士后研究员，研究方向涵盖拓扑量子物态、强关联电子系统、非厄米量子物理以及开放量子系统的多体动力学。

参考资料

[1]https://www.chalmers.se/en/current/news/mc2-magnetism-in-new-exotic-material-opens-the-way-for-robust-quantum-computers/

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.116605

返朴

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