研究人员解释了未来材料中奇怪的电子流

称为拓扑绝缘子的杰出材料的侧面易碎。

研究人员证明，某些类型的拓扑绝缘子表面上的电子完美流动会令人惊讶地脆弱。

电子沿着某些不寻常的晶体材料的表面竞争，除了有时不这样。普林斯顿大学研究人员及其合作者进行的两项新研究解释了令人惊讶的行为的根源，并绘制了恢复这些出色晶体电导率的路线，并因其在包括量子计算机在内的未来技术中的潜在应用而倍受赞誉。

这些研究发表在《科学》杂志上。

在过去的15年中，一类被称为拓扑绝缘体的材料主导了对未来材料的寻找。这些晶体具有罕见的特性：它们的内部是绝缘体（电子无法在其中流动），但它们的表面却是完美的导体，其中电子在无阻力的情况下流动。

那是直到两年前才发现的图片，有些拓扑材料实际上无法在其表面传导电流，这种现象被称为“脆弱拓扑”。

“脆弱的拓扑是一种奇怪的野兽：普林斯顿大学物理学教授，两篇论文的合著者B.安德烈·伯尼维格（B. Andrei Bernevig）说，现在预计它存在于数百种材料中。“就好像我们一直在实验确定拓扑状态所依靠的通常原理崩溃了。”

为了掌握脆弱状态的形成方式，研究人员转向了两种资源：数学方程式和3D打印机。Bernevig和普林斯顿大学的博士后研究员宋志达与巴斯克大学（University of Basque Country）的路易斯·埃科罗（Luis Elcoro）一起，建立了一种数学理论来解释材料内部正在发生的事情。

接下来，塞巴斯蒂安·胡伯（Sebastian Huber）和他在苏黎世联邦理工学院的团队与普林斯顿大学，以色列魏兹曼科学研究所，华南理工大学和武汉大学的研究人员合作，通过使用3D-印刷塑料。

拓扑材料的名称来自数学领域，该领域解释了诸如甜甜圈和咖啡杯之类的形状如何相互关联（它们都具有一个孔）。相同的原理可以解释电子如何在迄今确定的大约20,000种左右拓扑材料的表面上从一个原子跳到另一个原子。拓扑材料的理论基础因普林斯顿的谢尔曼·费尔柴尔德大学物理学教授F.邓肯·霍尔丹（F. Duncan Haldane）获得了2016年诺贝尔物理学奖。

使这些晶体对科学家如此有趣的是它们的自相矛盾的电子特性。晶体的内部无法传导电流-它是绝缘体。但是将晶体切成两半，电子会不受拓扑结构的保护，在没有任何阻力的情况下掠过新露出的表面。

解释在于表面的电子与内部的电子或主体之间的连接。可以将电子看作不是单个粒子，而是像从池塘里扔出的卵石中的水波纹一样散布开来的波。在这种量子力学观点中，每个电子的位置都由一个称为量子波函数的扩展波来描述。在拓扑材料中，主体中电子的量子波函数扩展到晶体的边缘或表面边界。主体与边界之间的这种对应关系导致了一个完美的导电表面状态。

直到两年前，当少数科学论文揭示了脆弱的拓扑结构的存在时，“本体-边界对应”这一用于解释拓扑表面传导的原理才被广泛接受。与通常的拓扑状态不同，脆弱的拓扑状态没有导电的表面状态。

伯内维格说：“通常的体边界对应原则失效了。”但是究竟如何仍然是一个难题。

在这两个科学论文的第一篇中，Bernevig，Song和Elcoro为新的体边界对应关系提供了理论解释，以解释脆弱的拓扑。合作者表明，脆弱拓扑的电子波函数仅在特定条件下延伸到表面，研究人员称其为扭曲的体边界对应。

研究小组进一步发现，可以调节扭曲的体-边界-对应关系，以使导电表面状态重新出现。“基于波函数形状，我们设计了一套机制，以使边界状态必然变得完美传导的方式在边界上引入干涉，”巴斯克大学（University of Basque Country）教授路易斯·埃科罗（Luis Elcoro）说。

研究人员认为，寻找新的总体原理总是使物理学家感兴趣，但是这种新型的体-边界对应也可能具有一定的实用价值。Song说：“脆弱的拓扑结构扭曲的体边界对应关系提供了控制表面状态的潜在方法，这可能在机械，电子和光学应用中很有用。”

但是，要证明该理论行之有效实际上是不可能的，因为人们将不得不在无限小的原子尺度上干扰边界。因此，该团队求助于合作者，建立了一个与实物大小相仿的模型来探索他们的想法。

在第二本《科学》杂志中，塞巴斯蒂安·胡伯（Sebastian Huber）和他的团队在苏黎世联邦理工学院使用3D打印部件，用塑料制成了大规模的模拟拓扑晶体。他们使用声波来表示电子波的功能。他们插入了障碍物以阻挡声波的传播，这类似于切割晶体以露出导电表面。通过这种方式，研究人员模仿了扭曲的边界条件，然后证明了通过对其进行操作，他们可以证明自由传导的声波在表面上传播。

“这是一个非常左领域的想法和实现，” Huber说。“我们现在可以证明，在我们的人工系统中已经实现的几乎所有拓扑状态都是脆弱的，并且不像过去那样稳定。这项工作提供了确认，但更重要的是，它引入了新的总体原则。”

参考：宋智达，Luis Elcoro和B.Andrei Bernevig撰写的“脆弱拓扑的扭曲体积边界对应”，2020年2月14日，科学。DOI：
10.1126 / science.aaz7650

普林斯顿团队的工作得到了美国能源部（DE-SC0016239的资助），美国国家科学基金会（EAGER授予DMR 1643312和MRSEC授予DMR-142051），西蒙斯研究人员的资助（404513），海军办公室的支持。研究（拨款N00014-14-1-0330），大卫和露西尔·帕卡德基金会以及约翰·西蒙·古根海姆纪念基金会的古根海姆奖学金。路易斯·埃科罗（Luis Elcoro）由巴斯克地区政府资助，塞巴斯蒂安·胡伯（Sebastian Huber）感谢瑞士国家科学基金会，瑞士国家研究能力中心QSIT和欧洲研究理事会的资助（771503赠款）。