拓扑量子态的一个重要标志是粒子因受到保护能免受局部扰动。苏黎世联邦理工学院(ETH)的物理学家现在已经证明，在整数量子霍尔效应的典型案例中，量子真空涨落会导致拓扑保护失效。

正如ETH量子电子学研究所Jérôme Faist教授小组现在《Science》期刊上所报告的那样，这种保护可能会以意想不到的方式失效。他们做了演示实验，在实验中，他们将量子霍尔系统暴露在有强烈增加的量子真空涨落的空腔中，这提供了一种新的且潜在的通用途径来大幅修改量子态。这种“真空场工程”可能会带来新的实验能力，但也可能会在结合了二维材料和谐振器的实验中造成不必要的干扰。

那个“空的”的空间充满了电磁真空波动，这是量子场论最吸引人的方面之一。真空场的表现形式在实验中已经观察了很久的时间，例如由自发辐射、兰姆位移和卡西米尔效应。但对这些场的直接感知是在最近几年才实现的，最值得注意的是在Faist小组在2019年的工作中，他们确定了真空场波动的光谱特征。

这项工作中出现的一个有趣的问题是，是否可以利用真空场以可控的方式来改变材料的特性。在ETH物理学家的早期合作研究中，他们在测量耦合到腔体的半导体材料中的磁输运时发现了这方面可行的迹象。然而，在这些实验中，修改的特征取决于样品本身，并且必须测量不同的物理样品，以将真空场修改属性的情况与“未修改”的情况进行比较。

现在，Faist小组的博士生Felice Appugliese及其同事转向了整数量子霍尔机制的系统，其中的拓扑保护确保了系统具有鲁棒性，因此消除了对所使用特定样本的一些依赖。在他们的实验中，他们将样品放置在光学纳米腔的紧密范围内，其尺寸要远低于相关光的波长。这种腔体介导了光和物质态之间的强耦合，从而为量子多体态提供了一种高度灵敏的光学探针。

在过去的十年里，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体，并达到了创纪录高的光与物质耦合。重要的是，紧密的亚波长在限制的同时也增强了真空场的波动，既可以调整它们对物质的影响，又可以提供“真空场工程”的方法。虽然这在之前的工作中已经显露出来，但还缺少一个坚实的基线。

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无空腔的参考样品和一个有空腔的样品。在参考样本中，他们测量了由von Klitzing首次发现的宽阔高原的美丽阶梯序列。然而，在带有空腔的样本中，他们看到了与这个整数量子化的明显偏差(见上图)。

这些差异可以在他们在巴黎大学的理论合作者Cristiano Ciuti的理论框架内进行解释。从本质上讲，空腔介导了长程动力学，其中最终相反的边缘态被耦合，这打开了一条电子可以散射的通道，从而打破了拓扑保护。相比之下，杂质等短程相互作用不会产生散射。

Appugliese及其同事进行了更进一步的实验，他们用金属表面修改了谐振器内部的场，并将其放置在距样品有不同距离的地方。他们不仅在没有任何参考样本的情况下以这种方式证明了量子霍尔态的真空场诱导修改，而且还提供了如何可控地修改拓扑量子多体效应的提示。

这些结果也提醒我们，结合了二维材料和谐振器结构的平台——这些平台已越来越多地被用于物理的各个领域——可能很容易产生不必要的干扰效应。此提醒也可能会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，它们可以用来作为电阻的标准(电阻量子被称为von Klitzing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可能会限制此类基准的精度。