所谓拓扑量子态的一个特点是它们不受局部扰动的影响。ETH物理学家现在证明，在聚合的整数量子霍尔效应的情况下，真空涨落可以导致拓扑保护的崩溃。
(图片来源:苏黎世联邦理工学院/D-PHYS Faist小组，Felice Appugliese)
“在1980年之前，没有人想到会存在像量子化霍尔效应这样的效应，它完全依赖于基本常数，不受杂质或界面效应等半导体中的不规则现象的影响。”德国物理学家克劳斯·冯·克里津在获得1985年诺贝尔物理学奖时说道。他因在1980年发现二维电子气体中的量子化霍尔效应而闻名。人们所熟知的“整数量子霍尔效应”的出人意料的稳健性，实际上在一开始促成了冯·克里津的发现。他当时正在研究半导体——一种因缺陷而闻名的材料——但却观察到了令人惊讶的“干净”的霍尔电导率量子化。这样的量子系统能够很好地抵御局域扰动，这一事实后来在电子多体态的拓扑性质框架中得到了解释。但正如量子电子学研究所Jêrôme Faist教授小组现在报告的那样，这种保护可能会以意想不到的方式失效。他们在《科学[1]》杂志上发表了一篇文章，介绍了他们的实验，在这些实验中，他们确立了将一个量子霍尔系统暴露在一个紧密腔的强增强量子真空涨落中，提供了一种新的、潜在的通用路线来大幅修改量子态。这种“真空场工程”可能会带来新的实验能力，但也可能会在结合二维材料和谐振器的实验中造成不必要的干扰。
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“空”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。真空场的表现在实验中早就被观察到，例如自发发射、兰姆位移和卡西米尔效应。但近年来才实现了对这些场的直接感知，最显著的是在2019年Faist小组的工作中，他们确定了真空场波动[2]的光谱特征。在苏黎世和其他地方，这一领域产生了一个有趣的问题，即真空场是否可以被利用，以一种可控的方式改变材料的性质。在早期的工作中，ETH物理学家的合作已经发现了这一迹象，当测量耦合到腔[3]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，以比较性能被真空场改变的情况和“未改变”的情况。
现在，博士生Felice Appugliese和Faist小组的同事们转向了一个整数量子霍尔区域的系统，该系统的拓扑保护确保了鲁棒性，因此消除了对所使用的特定样本的一些依赖。在他们的实验中，他们将霍尔棒样品放置在光学纳米腔的紧密范围内，其尺寸远低于所涉及的光的波长。这种腔体介导了光和物质态之间非常强的耦合，从而为量子多体态提供了一个高度敏感的光学探针。在过去的十年里，围绕着Faist和Giacomo Scalari(现在是该小组的兼职教授)的团队已经完善了这种腔(所谓的裂环腔)，以达到创纪录的高光物质耦合。重要的是，紧密的亚波长约束也增强了真空场的波动，使它们对物质的影响得以调整，并为“真空场工程”提供了一条途径。这在之前的工作[3]中已经展示过，但是缺少可靠的基线。
步调不一致
为了进行直接比较，Appugliese等人在同一芯片上制作并测试了一个没有空腔的参考样品和一个有空腔的样品。在参考样本中，他们测量了von Klitzing首次发现的抗阻力宽高原的美丽阶梯序列。然而，在有腔的样本中，他们看到了这个整数量子化的明显偏差(见上图)。这些可以在他们在Université de Paris的理论合作者Cristiano Ciuti的框架内解释。本质上，空腔调解长程动力学，其中最终相反的边缘态耦合，打开了一个电子可以被散射的通道，从而打破拓扑保护。相比之下，像杂质这样的短程相互作用不能产生散射。
阿普格利泽和他的同事们更进一步，用金属表面修饰了谐振腔内的磁场，并将其放置在与样品不同距离的地方。他们不仅用这种方式证明了真空场在没有任何参考样本的情况下对量子霍尔态的修正，而且还提供了如何可控地修正拓扑量子多体效应的线索。这些结果也提醒我们，结合二维材料和谐振腔结构的平台——这些在物理的各个领域越来越多地被使用——可能容易产生不必要的干扰效应。这种警告也适用于没有蛀牙的情况。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(电阻量子被称为冯克里津常数)和基本常数的高精度探针。由于自由空间被真空波动所渗透，可以想象，这些场最终限制了这种基准的精度。
参考文献
李志强，李志强，李志强，李志强，李志强，李志强，李志强。基于空腔真空场的整数量子霍尔效应拓扑保护的分解。科学375,1030(2022)。DOI: 10.1126 /科学。张志强，张志强，张志强。电磁真空态的电场相关测量。《自然》568,202(2019)。DOI: 10.1038/s41586-019-1083-9call_madeParavicini-Bagliani GL, Appugliese F, Richter E, Valmorra F, Keller J, Beck M, Bartolo N, Rössler C, Ihn T, Ensslin K, Ciuti C, Scalari G, Faist J: Magneto-transport co 由朗道极化态控制。自然物理学报15,186(2019)。DOI: 10.1038 / s41567 - 018 - 0346 - ycall_made推荐阅读：武汉试管代妈公司
