2026年7月9日——宾夕法尼亚州立大学和圣路易斯大学的研究人员，通过结合量子物理学两个快速发展领域的方法，证明一种新型特种材料能够自然地开启研究称为非厄米动力学的异常物理现象的新途径。

这项工作为构建一个新型平台奠定了基础，以探索能够驱动设备的现象，这些设备能够以传统上不依赖光学或工程系统就无法实现的方式传输和分组电信号及量子态。研究团队在《科学进展》上发表的论文中详细介绍了他们的发现。

宾夕法尼亚州立大学电气工程助理教授、论文通讯作者Morteza Kayyalha解释说，非厄米物理学指的是那些表现出传统物理模型中所没有行为的系统。这些系统可以展现出异常的行为，例如对微扰和外部刺激的增强响应。它们还可能表现出非厄米趋肤效应，即量子态——研究人员可用其预测材料的物理性质——会集中在材料内特定边界或点附近，而不是均匀分布。

Kayyalha及其合作者的工作聚焦于开发一种磁性拓扑绝缘体，也称为量子反常霍尔（QAH）绝缘体，它能够实现这种特性。这种材料的内部是绝缘的，可以阻止电流流动，而电流则沿材料边缘单向传输。Kayyalha表示，这些被称为手征边缘通道的单向边缘路径，为构建一个其有效连接依赖于方向的电子网络提供了一种自然的方式。

普通电子网络在两点之间显示出互易响应，意味着系统内某一点到另一点的连接由反向连接所平衡，就像通往城市的双向高速公路，汽车可以进入，但前提是有同等数量的汽车离开。非互易系统打破了这种对称性——它们的有效连接可能依赖于方向，从而使得量子态或电信号能够以传统互易系统中不会发生的方式积累。

“我们想证明这些现象可以在量子材料中自然产生，”Kayyalha说，“我们的工作为利用量子材料平台实现可扩展的非厄米行为奠定了基础，而不仅仅依赖于光学或电路设计。”

研究中使用的QAH器件由拓扑绝缘体碲化锑铋薄膜制成，该薄膜在二维晶体联盟（2DCC）中合成，2DCC是宾夕法尼亚州立大学的一个设施，由美国国家科学基金会（NSF）资助。这种绝缘体经过磁性掺杂，这是一个将磁性原子引入非磁性基底材料的过程，从而形成一种量子态，电流通过手征边缘通道沿器件边界传输。据Kayyalha介绍，QAH绝缘体不需要外部磁场，而在量子霍尔器件运行中，外部磁场通常是实现非厄米行为所必需的。

“QAH平台的一个关键优势是，在材料磁化后，可以在零外加磁场下研究手征边缘态，”Kayyalha说，“这使其成为在电子量子材料中探索非厄米物理学的一个有前景的平台。”

研究团队用QAH绝缘体制成了环形器件，并在每个环的周边连接了多个电触点。通过仔细测量其中一个环中电信号在触点之间的传输方式，团队重建了系统的电导网络——一组用于可视化电流如何在材料中流动的测量数据。然后他们将这些测量结果与理论模型进行了比较，特别是Hatano-Nelson模型，该模型是用于识别系统中非厄米行为的标准模型。

“我们可以直接将测得的电导矩阵与非厄米物理学的理论模型进行比较，”Kayyalha说，“然后，我们可以识别量子材料中非厄米动力学的特征。”

测量结果表明，在QAH系统中，手征边缘通道实现了一个与Hatano-Nelson模型密切相关的电导矩阵。此外，通过调节器件边界条件，研究团队观察到了非厄米趋肤效应，即系统的本征态——这些量子态可以用于预测材料的行为方式——会集中在有效链的一端附近，而不是均匀分布。

“非厄米趋肤效应已经在几种工程化平台中被观察到，但在拓扑量子材料中实现它，为利用电子输运研究这些现象提供了一条新途径，”Kayyalha说。

研究人员还指出，可以通过调节栅极电压来微调系统的行为，栅极电压是一种电信号，可以增强或减弱更强的电流，类似于商业电子产品中的晶体管。Kayyalha认为，这将使研究人员能够更有效地探索材料的电导如何影响其非厄米动力学。

除了展示一个新的实验平台，Kayyalha表示，这项工作突显了拓扑量子材料与非厄米物理学之间正在形成的联系。尽管这两个领域在很大程度上是独立发展的，但它们的结合可能是开发出对电信号、磁信号以及其他众多刺激具有前所未有响应能力的传感器的关键。

“磁性拓扑绝缘体提供了一个多功能平台，用于探索关于非厄米系统、拓扑和量子输运的基本问题，”Kayyalha说，“我们知道这种技术具有商业可扩展性，但现在我们首先需要展示一个应用案例，并看看它们可以用于哪些不同类型的传感应用。”

其他来自宾夕法尼亚州立大学的合著者包括：物理与材料科学与工程教授、2DCC副主任Verne M. Willaman的Nitin Samarth；物理学博士生Le Yi；在宾夕法尼亚州立大学获得电气工程博士学位的Asmaul Smitha Rashid；以及在宾夕法尼亚州立大学获得物理学博士学位的Emma Steinebronn。其他合著者包括圣路易斯大学电气与计算机工程教授Şahin K. Özdemir和Ramy El-Ganainy。

这项研究得到了美国海军研究办公室、美国国家科学基金会以及美国空军科学研究办公室的支持。