首次！测量到量子效应改变了光波的方向

　　通过空的空间的一个光波总是在同一方向上振荡。然而，当被放置在磁场中时，某些材料可以用来旋转光振荡的这个方向。这就是所谓的“磁光”效应。

　　经过跨越很长一段时间的各种猜测之后，这个效应的一个变种，现在在维也纳技术大学第一次得到了证实。与磁光效应连续地转换光波的方向不同，这种被称为“拓扑绝缘体”的特殊材料会以清晰定义的比例以量子步进的方式来进行切换。这些量子步伐的大小完全取决于基本的物理参数，如精细结构常数。可能很快就能够用光学技术来比目前可能通过其他方法更准确地测量这个常数。这项最新研究结果已在开放获取的期刊《自然*通讯》中进行了报告。

　　“我们在可以改变光的振荡方向的材料上已经努力了很长一些时间了，”维也纳技术大学固体物理研究所的Andrei Pimenov教授解释说。一般来说，该效应取决于材料的厚度：光线在材料中行走的距离越大，旋转的角度就越大。然而，这不是现在Pimenov的团队在一个来自乌兹堡大学的研究小组的协助下所研究的事情。他们的重点一直在“拓扑绝缘体”，其中的关键参数是表面，而不是厚度。

　　其内部是绝缘体，但是电流通常可以非常有效地沿着拓扑绝缘体的表面进行传导。“甚至是在通过拓扑绝缘体发射辐射的时候，造成所有差异的也是这个表面，”Pimenov说。当光在该材料中传播时，光束的振荡方向被材料的表面进行两次翻转——进入的时候发生一次，出来的时候发生一次。

　　这里最引人注目的是，这个旋转以量子的步伐按特定的比例发生，而不是连续的。这些点之间的间隔不是由材料的几何形状或性质决定的，而是由基本的自然常数来定义。例如，它们可以基于精细结构常数来给出，精细结构常数是用来描述电磁相互作用强度的参数。这可能会开启比以前的情况更精确地测量自然常数的可能性，甚至可能会识别出新的测量技术。

　　这种情况类似于量子霍尔效应——这是在某些材料中观察到的另一种量子现象——在这种情况里，一个特定的变量（在这里是电阻）每次只能增加一定的量。量子霍尔效应目前被应用于高精度的测量，官方标准定义的电阻也是基于它。早在1985年，诺贝尔物理学奖就授予了量子霍尔效应的发现。

　　拓扑材料也已经成为获得诺贝尔奖的主题——这次是2016年。据预计，这些最新的结果也将有可能使具有特殊拓扑特性的材料（在这里是拓扑绝缘体）被用于特定的技术应用成为可能。