拓扑绝缘体是近几年的研究热门，这种材料拥有奇异的物理效应。拓扑绝缘体的内部与人们通常了解的绝缘体一样是绝缘的，但是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态，这是它有别于普通绝缘体的最独特性质。

我们知道量子比特可以比经典计算机的比特携带更多的信息，但是由于它们的量子性很容易受到干扰，这会破坏它们所存储的数据。而利用拓扑绝缘体/量子霍尔效应的边缘态可能是创建更可靠量子比特的好办法。物理学家正在探索量子霍尔效应边缘态的持久性，研究它们是否有资格成为制造量子比特（亦称量子位，是量子信息的基本单位）的良好候选者。

尽管量子霍尔效应的边缘态具有吸引人的特性，在以前，人们无法对它进行成像分析。现在，位于马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准技术研究院（NIST）的研究人员与一些国际合作者组成的研究团队，他们已经拍摄到了这些边缘态的图像，并检查了其潜在的结构和大小。5月14日发表在《自然-通讯》杂志上的一篇论文，描述了他们进行的这一研究成果。

该小组研究了石墨烯中的量子霍尔效应边缘态，石墨烯是一种由碳原子紧密堆积成的单层二维蜂窝状晶格结构材料。石墨烯因为具有优异的光学、电学、力学特性，它被认为在许多领域中具有广阔的应用前景，是一种未来革命性的材料。

当石墨烯被冷却到绝对零度附近并受到强磁场作用时，它就会表现出量子霍尔效应。NIST团队使用原子力显微镜（AFM）的尖端对其电场的微小变化进行了探测，从而实现了对各个量子霍尔态的能级进行成像。他们研究发现，量子霍尔边缘态的直径约为10纳米（十亿分之一米），其宽度约等于30个原子。
 
为了更好地了解石墨烯样品中量子霍尔效应的特性，研究人员使用三组仪器，同时测量了材料的微观和宏观特性。在微观测量方面，该团队将原子力显微镜和扫描隧道显微镜相结合，该显微镜检查了在原子尺度上的形貌和量子霍尔态的电子结构。通过这些工具的配合使用，研究小组还记录了不同磁场强度（宏观测量）下的电流流动。

该团队将这套三合一工具套件比作瑞士军刀，对于研究所谓的量子材料（例如石墨烯）起到了至关重要的作用。对许多普通材料而言，通常可以大规模忽略量子效应。但是在量子材料中，电子群之间的强量子效应会在很长的距离内持续存在。这导致它们出现了奇特的特性，例如量子霍尔边缘态等。它们可以用于一些新技术，但必须使用这样的一套仪器进行检查。

研究小组仍在分析量子霍尔边缘态的能级和位置如何与理论预测数据相比较。他们接下来计划研究将两片夹在一起的石墨烯以不同的角度旋转扭曲后边缘态会出现什么变化。该研究团队预计旋转后的2层石墨烯可能会产生前所未知的新型边缘态特性，或能开辟出一条可用于量子通信和其他应用的新技术途径。（编译: Qtech）