一位化学生物学教授正在拓扑材料中系结量子力学“纽结”。
据《哈佛公报》报道，这一过程或许是释放量子技术潜力的关键，使其能够存储和处理海量信息。
它还可能为多个领域带来变革性进展。
纵观人类历史，我们存储信息的大多数方式——从绳结、甲骨到竹简刻痕和文字——归根结底只有两种：用字符或形状来表示信息。如今，海量信息以0和1的形式存储在硅晶圆上，而一种处于量子化学与量子物理交界处的新材料，或能大幅提升存储能力。
徐苏扬这位化学生物学助理教授正在拓扑材料中系结量子力学“纽结”。这或许是释放量子技术潜力的关键，使其能够存储和处理海量信息，并为多个领域带来变革性进展。
徐说：“想象一根用若干个结来标识的绳子。无论绳子的形状如何改变，结的数量——也就是拓扑数——都不会改变，除非通过增加或解开绳结来改变它的根本属性。”正是这种稳健性，使拓扑材料可能格外有用。
徐在中国完成本科学业。2008年，他开始在普林斯顿大学攻读物理学研究生，当时拓扑材料刚刚开始被制备，他也由此首次接触到这类材料。徐的研究兴趣包括量子物质的电子和光学性质，例如拓扑态和对称性破缺态。
拓扑材料能让电子沿其表面和边缘无摩擦、无损耗地移动，因此有望用于超高速电子设备，如量子计算机。这类设备有潜力比现有计算机更强大，因为它们的量子比特（简称“qubit”）利用量子态的两种性质——叠加和纠缠——来编码信息。
然而，量子态十分脆弱，受到扰动时可能发生退相干，失去同步并丢失存储的信息。拓扑材料稳健且能抵抗扰动，因此可用于构建更稳定、寿命更长的量子比特。
徐的物理学背景和实验化学经验，使他能够在现实世界中检验量子理论。徐说：“物理学家和化学家虽然都研究材料，但物理学家往往更倾向于把材料看作抽象方程，而化学家则会研究材料涌现出的性质。由于我有纯物理学背景，也懂化学的语言，因此能够把复杂理论转化到真实空间中。”
凭借一些经过充分推敲的假设和创新技术，徐和团队在量子物理与化学之间架起桥梁，并用材料检验理论。首先，他们预测哪些材料可能呈现拓扑性质。这类材料中各元素的化学式无法提供足够的信息；徐也关注它们的宏观性质。
徐说：“如果我只看水、蒸汽和冰的H₂O化学式来研究它们，就无法了解它们各自不同的性质。作为一名化学家，我试图寻找某些元素并在微观层面将它们组织起来，从而使其产生拓扑性质。”
随后，徐的实验室将有关化学反应的现有理论与实验数据进行对照，以拓展拓扑材料图谱。徐和团队使用专用冰箱，将原子和分子冷却至略高于绝对零度的温度；在这种温度下，它们变得高度可控，也更易观察。团队通过电流测试电子在材料中的流动。
他们也关注材料的光学性质，并测试材料与光的相互作用。团队向材料发射光子，根据光的散射、反射和透射情况，收集量子力学拓扑数据。徐已经为理论粒子提供了有力证据，解决了量子科学中最棘手的问题之一。
“由于我有纯物理学背景，也懂化学的语言，因此能够把复杂理论转化到真实空间中。”——徐苏扬
在去年发表于《自然》的一项研究中，徐和团队着手研究轴子的性质。轴子是物理学家弗兰克·维尔切克提出的一种理论基本粒子。这位诺贝尔奖得主以一种洗衣粉的品牌为它命名，因为轴子填补了理论与观测之间的空白，从而“清理”了量子色动力学中复杂且高度专业的强荷电宇称问题。
此外，关于轴子态最令人期待的预测之一是，我们或许能够利用它们控制磁化，这可能彻底改变各种技术，因为磁性和磁性材料是众多应用的核心。
在一类名为轴子绝缘体的拓扑材料中，徐的团队试图模拟轴子的行为。他们在氩气环境中制备了一种双栅控MnBi₂Te₄器件，并测量其电学和光学性质，由此发现了检测和操控拓扑材料丰富内部结构的新途径。
徐说：“我们发现了一种能够支持轴子绝缘体态的真实材料。我们证实它具有预测中的性质，即电与磁之间的强耦合。”
在为一种理论粒子提供证据后，徐计划探索外尔半金属的自旋性质。这是一种具有异常电子结构的新物态，与粒子物理学存在深刻的类比关系，并呈现独特的拓扑性质。
