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电子只能在表面跑,竟因内部是绝缘体,但表面却是完美的导体!

文章作者:www.hrbyunfankeji.com发布时间:2020-02-23浏览次数:1745

除了有时不是,电子沿着一些不寻常的晶体材料表面“赛跑”。普林斯顿大学的研究人员和合作者进行了两项新的研究,以解释这一令人惊讶的行为来源,并绘制出恢复这些晶体导电性的路线,这些晶体因其在量子计算机等未来技术中的潜在用途而受到高度重视。他们的发现发表在杂志《科学》上。在过去的15年里,一种叫做拓扑绝缘体的材料主导了对未来材料的研究。

这些晶体有一个不寻常的特征:它们内部是绝缘体,但表面上是完美的导体。直到两年前发现一些拓扑材料不能在它们的表面传导电流,这一直是一幅图画,因此这种现象被称为“弱拓扑”。

普林斯顿大学物理学教授和研究合着者安德烈贝纳维格说:脆弱的拓扑是一种奇怪的野兽。现在估计它存在于数百种物质中。科学家们用来实验确定拓扑状态的通常原则似乎已经被打破了。

为了理解弱拓扑是如何形成的,研究人员求助于两种资源:数学方程和三维打印机。博内维格和普林斯顿博士后研究员宋志达与巴斯克大学的路易斯埃尔科罗一起构建了一个数学理论来解释材料内部发生的事情。接下来,苏黎世技术大学的塞巴斯蒂安休伯和他的团队与来自普林斯顿大学、以色列魏茨曼科学研究所、华南理工大学和武汉大学的研究人员合作:

使用三维印刷塑料构建了一种与真人一样大小的拓扑材料,并对该理论进行了测试。拓扑材料的名字来自数学领域,它解释了像甜甜圈和咖啡杯这样的形状是如何联系在一起的(它们都有一个洞)。

同样的原理可以解释电子是如何在到目前为止确定的拓扑材料的表面上从一个原子跳到另一个原子的。此外,拓扑材料的理论基础还为普林斯顿大学谢尔曼费尔柴尔德大学的物理学教授F邓肯霍尔登赢得了2016年诺贝尔物理学奖。

科学家对这些晶体非常感兴趣,因为它们的电子性质相互矛盾。晶体内部没有传导电流的能力;它是绝缘体。然而,如果晶体被切成两半,电子将在没有任何阻力的情况下通过新暴露的表面,并受到其拓扑性质的保护。

解释在于表面电子和内部电子之间的联系。可以说,电子不是单个的粒子,而是像水波一样在池塘中的卵石上传播的波。在量子力学的这个观点中,每个电子的位置都被称为量子波函数的扩展波所描述。

在拓扑材料中,内部电子的量子波函数扩散到晶体边缘或表面边界。内部和表面之间的这种对应产生了理想的导电表面状态。解释拓扑表面传导的“体边界对应”原理直到两年前才被广泛接受,当时几篇科学论文揭示了弱拓扑的存在。与通常的拓扑状态不同,弱拓扑状态没有导电表面状态。

块边界对应的通常原则已经被打破,但是到底发生了什么仍然是个谜。在这两篇科学论文的第一篇中,Bernevig,Song和Elcoro为解释弱拓扑的新的体边界对应提供了理论解释。这位

的合作者指出,弱拓扑的电子波函数只在某些条件下延伸到表面,研究人员称之为扭曲的体边界对应。研究小组进一步发现,扭曲的块体边界的对应关系可以被调整,从而导致导电表面状态重新出现。巴斯克地区大学的教授路易斯艾尔科罗说:“基于波函数的形状,我们设计了一套机制,在边界上引入干涉,从而使边界表面变得完美导电。发现新的压倒一切的原理总是让物理学家感兴趣,但是这种新的全球边界对应也可能有一些实用价值。

弱拓扑的扭曲体边界对应提供了控制表面状态的潜在程序,这在机械、电子和光学应用中可能是有用的。然而,考虑到人们将不得不在无限小的原子尺度上干涉边界,这证明这个理论实际上是不可能的。因此,团队转向合作伙伴,建立了一个真人大小的模型来探索新的想法。在第二篇“科学”论文中,苏黎士理工学院的塞巴斯蒂安休伯和他的团队使用三维打印组件由塑料制成一个大的模拟拓扑晶体,并使用声波来表示电子波函数。

插入障碍物来阻挡声波的传播路径,类似于切割晶体以暴露导电表面。通过这种方式,研究人员模拟了扭曲的边界条件,然后证明通过操纵它,可以证明自由传导的声波在表面上传播。这是一个非凡的想法和实现。现在可以证明,几乎所有在人工系统中实现的拓扑状态都是弱拓扑,而不是像以前认为的那样稳定。这项研究工作证实了这一点,但更重要的是,引入了一个新的一般原则。

博科公园|研究/发件人:普林斯顿大学

参考期刊《科学》

DOI : 10.1126/科学。AAZ 7650

DOI : 10.1126/科学。AAZ7654

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