科學家首透過實驗證實追尋超過 10 年的全新物質相：弗洛凱拓樸態，能讓普通半導體瞬間變成拓撲絕緣體，不只驗證理論預測，更揭示以光速切換材料特性、邁向拍赫茲級量子運算的可能性。
拓撲絕緣體是一種特殊材料，電流可以沿著表面流動但材料內部保持絕緣，這種特性源自材料能帶結構天生具備的拓撲相，因不易受表面化學或缺陷干擾，在自旋電子學、量子計算領域極具潛力。
另一方面，物理學家過去多年一直在發展弗洛凱工程（Floquet engineering）技術，主要利用強烈且快速振盪的光場（通常是飛秒雷射）暫時重塑材料電子結構。
理論很早就預測弗洛凱工程可在半導體誘發拓撲相，也就是光誘導的物質相「弗洛凱拓樸態（Floquet topological state）」，單純透過光與物質交互作用，就能在不改變材料化學成分與原子結構前提下，將一般半導體瞬間變為具金屬導電特性的拓撲狀態。
但這個預測過去 10 多年都停留在紙上談兵和電腦模擬階段，一直缺乏明確證據。
解鎖「光控」材料新技能
現在一項新研究利用飛秒雷射脈衝，成功在碲化亞錫（tin telluride，SnTe）晶體誘導出瞬態弗洛凱拓樸態，簡單來說，碲化亞錫材料在「正常無光照」狀態下並非拓撲絕緣體，但當團隊以高強度雷射光脈衝照射，材料瞬間「變身」成具拓撲特性的狀態。
證據來自該效應只在共振激發附近出現、效應與激發光的偏振方向無關、整個過程未偵測到任何離子移動，以及團隊利用弗洛凱密度泛函理論重現此結果，確認這是貨真價實的弗洛凱拓樸態，而非熱效應、材料損傷或晶格振動造成的假訊號。
理論物理學家想像「用光把普通材料變成拓撲絕緣體」的把戲，如今終於在實驗室被證實存在且拍下鐵證，證明半導體只需與光相互作用就可轉變為金屬，也為未來利用光操控材料電子特性的工具打開新研究方向。
目前電子元件運作速度受限於吉赫茲（GHz），而新研究展示了光在 100 飛秒（對應於拍赫茲 PHz）內為材料切換拓撲狀態的能力，若能結合光波場與電子自旋，未來可能將資訊處理與量子計算速度極限一舉推向拍赫茲級別，成為下一代超快量子計算架構革命性起點。
研究也提出目前最大限制是效應持續時間極短，如何在不讓材料過度加熱的情況下延長、穩定 弗洛凱拓樸態，將是下一階段研究核心難題。
新論文發表在《自然物理》（Nature Physics）期刊。
（首圖來源：AI 生成）
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