真空波动破坏拓扑保护

　　嵌入霍尔棒的互补分裂环谐振器的绘制。谐振腔由外部金属金层构成，二维电子气插入无金属区。左：真空电场剖面图。右：边缘传导通道的草图。来源：苏黎世ETHDPHYSFaistgroup，FeliceAppugliese
　　所谓拓扑量子态的一个特点是它们受到局部扰动的保护。ETH物理学家现在证明，在整数量子霍尔效应的例子中，真空涨落可以导致拓扑保护的崩溃。
　　到1980年为止，没有人料到会有像量子化霍尔效应这样的效应，它完全取决于基本常数，不受半导体类杂质或界面效应的不规则性的影响德国物理学家克劳斯冯克立津在获得1985年诺贝尔物理学奖时如是说。他因在1980年发现了二维电子气体中霍尔效应的量子化版本而被认可。众所周知，整数量子霍尔效应（integerquantumHalleffect）出人意料的健壮性，事实上，这一发现首先促成了vonKlitzing的发现。他正在研究半导体材料，这些材料因缺陷而闻名，但观察到霍尔导电率惊人的干净量子化。这样的量子系统可以很好地防止局部扰动，这一事实后来在电子多体态拓扑性质的框架中得到了解释。但是这种保护可能会以意想不到的方式破坏，正如量子电子学研究所的JrmeFaist教授小组现在报告的那样。书写科学类，他们提出的实验中，他们确定了将量子霍尔系统暴露在一个紧腔的强增强量子真空涨落中提供了一种新的和潜在的一般途径来大幅度地修改量子态。这样的真空场工程可能会带来新的实验能力，但也可能在结合二维材料和谐振器的实验中造成不必要的干扰。
　　真空场工程控制
　　空白空间充满了电磁真空涨落，这是量子场论最吸引人的方面之一。真空场的表现形式，如自发辐射、兰姆位移和卡西米尔效应等，早已被实验观察到。但是，直到最近几年才实现了对这些场的直接感应，尤其是在Faist小组2019年的工作中，他们确定了真空场起伏的光谱特征。在苏黎世和其他地方，从这项工作中出现的一个有趣的问题是，真空场能否被控制地用来改变材料的性质。在早期的工作中，ETH物理学家的合作已经发现了这方面的迹象，当测量耦合到腔的半导体材料中的磁输运时。然而，在这些实验中，改性的特征取决于样品本身，必须测量不同的物理样品，以比较真空场改变性质的情况与未改性的情况。
　　现在，Faist小组的博士生FeliceAppugliese和同事们转向了整数量子霍尔体制的系统，其中拓扑保护确保了鲁棒性，从而消除了对所用特定样本的依赖性。在他们的实验中，他们将霍尔棒样品放置在一个光学纳米腔的紧密限制中，其尺寸远低于所涉及的光的波长。这种空腔介导光与物质态之间的强耦合，从而为量子多体态提供了一种高灵敏度的光学探针。在过去的十年里，费斯特和贾科莫斯卡拉里（现在是该小组的兼职教授）的团队已经完善了这种空腔（所谓的分裂环空腔），以达到创纪录的高光物质耦合。重要的是，严格的亚波长限制也增强了真空场的涨落，既能调整它们对物质的影响，又能提供一条通向真空场工程的途径。这在以前的工作中已经显示了，但是缺少一个可靠的基线。
　　不合拍
　　为了进行直接比较，Appugliese等人制作并测试了一个没有空腔的参考样品和一个在同一芯片上有空腔的样品。在参考样本中，他们测量了vonKlitzing首次看到的阻力宽高原的美丽阶梯序列。然而，在量子化腔中，它们的偏差是无误的。这些可以在他们的理论合作者巴黎大学的CristianoCiuti的框架内解释。从本质上讲，空腔是长程动力学的中介，在这个过程中，最终相反的边态被耦合，打开了一个电子可以被散射的通道，从而破坏了拓扑保护。相比之下，杂质等短程相互作用不能产生散射。
　　Appugliese和他的同事更进一步，用金属表面修饰了谐振器内部的场，并将其放置在离样品不同距离的地方。他们不仅用这种方法证明了真空场诱导的量子霍尔态的修正，而且还提供了拓扑量子多体效应是如何被可控地修饰的。这些结果也提醒我们，将二维材料和谐振器结构结合在一起的平台在物理的各个领域中得到越来越多的应用，可能会产生不必要的干扰效应。此警告也可能扩展到没有空腔的情况。由于量子霍尔样品提供了精确的量子化，因此它可以作为电阻的标准（电阻量子被称为vonKlitzing常数）和基本常数的高精度探针。由于自由空间充满了真空波动，可以想象，这些领域最终限制了此类基准的精度。