芝加哥普利茲克分子工程學院（UChicago PME）與西維吉尼亞大學（WVU）研究人員的合作努力，帶來了一種新方法，可以通過簡單調整材料成分比例來切換材料的量子特性。這一方法可以有效地作為工程異常量子相的控制旋鈕，特別是在拓撲超導體等材料中。
目前，全球最快的超級計算機在執行藥物發現或解決氣候變化等複雜計算時，表現出意外的不足。科學家們因此正在開發量子計算機，能在幾分鐘內解決今天的超級計算機需要數十年才能解決的問題。這是通過利用材料的量子態來實現的。然而，要推進量子計算，科學家們需要提升對量子材料的理解，並設計出大規模生產的方法。UChicago PME與WVU的合作正是針對這一需求。
最近發現的鐵碲化硒（Iron telluride selenide）是一種拓撲超導體，這意味著它同時具備超導和異常拓撲特性。超導性、強自旋耦合及顯著的電子關聯使其成為探索量子相互作用的理想材料。迄今為止，科學家們已能夠大規模生產該材料並在實驗中使用。儘管它已顯示出異常的量子狀態，但大塊晶體因其成分在不同位置上變化而難以操作。UChicago PME的研究人員將該材料生長為僅有10個原子層的超薄層，然後控制碲與硒的比例，以觀察量子特性如何改變。
當碲的含量超過70%時，研究人員觀察到材料從拓撲平凡狀態轉變為非平凡狀態。這種變化使材料獲得了有助於構建量子計算機的保護表面態。雖然在大塊晶體中也觀察到了這一點，但當研究人員開始處理純鐵碲化物時，卻遇到了一些意外的結果。在較高純度下，材料的拓撲表面態消失，恢復到其平凡相。研究人員通過先進的計算方法發現，這一轉變是由材料內部電子的運動所引起，顯示量子材料並非固定物體，而是高度可調的。
「如果關聯性過強，電子會被凍結在原地，」UChicago PME的研究生林浩然（Haoron Lin）解釋道。「如果過於弱，材料則會失去其特殊的拓撲特性。但在恰當的水平下，便能得到拓撲超導體。」西維吉尼亞大學物理學助理教授曼達爾（Subhasish Mandal）表示，這表明電子關聯是一種強大且過去未被充分重視的工程拓撲量子物質的工具。
與其他拓撲超導體相比，這些超薄薄膜提供了額外的好處。鐵碲化硒薄膜在13開爾文下運行，而基於鋁的系統則需要1開爾文，這使得它們可以用標準的液氦進行冷卻，成本更具優勢。此外，超薄結構比大塊材料更易於操作，並能方便地用於器件製造。「如果想要將該材料用於實際應用，則需要能夠以薄膜的形式生長，而不是試圖從一塊可能組成不均勻的岩石上剝離層，」林浩然在新聞稿中補充道。
這項研究結果已發表在《自然通訊》期刊上。
