工程师们展示了有机拓扑绝缘体的可行性

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犹他大学的工程师证明,建造第一个在分子边缘导电,但内部充当绝缘体的有机材料是可行的。这些材料被称为有机拓扑绝缘体,由类似铁丝网的分子薄片(左图)制成,并在其右边缘(蓝色线)导电——电子以“向上”自旋的形式携带更多的信息。由于一种被称为狄拉克费米子的特殊电子的独特物理行为,这些新材料可以被用来在量子计算机中以光速传输信息,图中描述了(右)它们的能量和动量。照片来源:犹他大学王正飞和刘峰

犹他大学的工程师们首次展示了有机拓扑绝缘体,这种有机材料在分子边缘导电,但内部起着绝缘体的作用。

犹他大学的工程师证明,建造第一批在边缘导电,但内部充当绝缘体的有机材料是可行的。这些材料被称为有机拓扑绝缘体,可以在量子计算机和其他高速电子设备中以光速传输信息。

这项研究本周发表在《自然通讯》杂志上将有助于开拓材料科学的一个新领域,同样,有机材料降低了成本,减轻了发光二极管和太阳能电池的生产,材料科学与工程教授、资深作者刘峰说。

“这是第一次证明基于有机材料的拓扑绝缘体的存在,”刘说。“我们的发现将扩大这些材料在不同应用领域的范围和影响,从自旋电子学到量子计算”。

当其他研究人员还必须合成新的有机拓扑绝缘体时,Liu说他的团队之前的工作“表明我们可以在两种不同的薄膜之间设计一个界面来创造拓扑绝缘体”,其中被称为狄拉克费米子的电子沿着两种薄膜之间的界面移动,Liu补充道。

刘和他犹他大学工程学院的同事们通过理论计算,预测了有机拓扑绝缘体的存在,他们使用的分子有碳碳键和碳金属键,称为有机金属化合物。在这项新研究中,研究小组研究了狄拉克费米子如何沿着这种看起来像铁丝网的化合物的边缘运动。

为了产生拓扑绝缘体,科学家们必须设计出能够传输费米子的材料。在拓扑绝缘体中,费米子的行为就像一个无质量或无重量的光包,当它们沿着材料的表面或边缘快速移动时就会导电。然而,当这些费米子进入到材料内部时,这种“失重”的导电性就嘎吱嘎吱地停止了。

更重要的是,狄拉克费米子具有一种叫做自旋的性质,即围绕粒子轴的角动量,其行为就像磁极一样。这种特性为科学家提供了另一种将信息放入粒子的方式,因为自旋可以“向上”或“向下”切换。这种机制可以用于基于自旋的电子设备,即所谓的自旋电子学,它可以在电荷和电子自旋中存储信息。

“我们已经演示了一种特殊电子类型的系统——狄拉克费米子——它的自旋运动可以被操纵来传输信息,”刘说。“这比传统电子产品更有优势,因为它速度更快,而且不用担心散热问题。”

今年早些时候,Liu和他的团队在铋基化合物体系中发现了一种“可逆的”拓扑绝缘体,在这种体系中,普通费米子或狄拉克费米子的行为可以在两层薄膜之间的界面被控制。铋是一种金属,最广为人知的成分是Pepto-Bismol。这些理论预测已由上海交通大学的合作者通过实验证实。

近十年来,人们对基于不同材料的无机拓扑绝缘子进行了研究,但对有机拓扑绝缘子和分子拓扑绝缘子的研究还很少。

刘与犹他大学材料科学与工程博士后王正飞(音译)和刘铮(音译)一起进行了这项研究。这项研究主要由美国能源部资助,并得到了陆军研究实验室和国家科学基金会通过犹他大学材料研究科学与工程中心的额外支持。

出版:王志峰,刘铮,刘峰。有机金属晶格中的有机拓扑绝缘体。《自然通讯》,2013;4: 1471 DOI: 10.1038/ncomms2451

图片来自犹他大学的王正飞和刘峰

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