研究人员解释了未来材料中奇怪的电子流

脆弱的拓扑

被称为拓扑绝缘体的非凡材料有脆弱的一面。信贷:宋志达,普林斯顿大学。

研究人员演示了某些拓扑绝缘体表面的完美电子流是如何异常脆弱的。

电子沿着某些不寻常的晶体材料的表面竞争,除了有时他们没有。来自普林斯顿研究人员的两项新研究和合作者解释了令人惊讶的行为的来源,并在这些非凡的晶体中恢复导电性的课程,为他们在包括量子计算机的未来技术中占据潜在使用。

这项研究发表在杂志上科学

在过去的15年里,一类被称为拓扑绝缘体的材料占据了对未来材料的搜索。这些晶体具有罕见的财产:他们的内部是绝缘体 - 电子不能流动 - 但它们的表面是完美的导体,其中电子流不具有阻力。

这是两年前的发现,一些拓扑材料实际上无法对其表面进行电流,这是一个赢得了“脆弱拓扑”的现象的现象。

普林斯顿大学物理学教授、两篇论文的合著者B.安德烈·贝内维格说:“脆弱的拓扑结构是一种奇怪的野兽:现在预测它存在于数百种材料中。”。“这就好像我们一直依赖于实验确定拓扑状态的一般原理崩溃了。”

为了弄清楚脆弱状态是如何形成的,研究人员求助于两种资源:数学方程和3D打印机。Luis Elcoro在巴斯克自治区、Bernevig和普林斯顿大学博士后研究人员支大松构建了一个数学理论来解释材料内部正在发生的事情。

接下来,苏黎世联邦理工大学的Sebastian Huber和他的团队,与普林斯顿的研究者、以色列的魏茨曼科学研究所、华南理工大学和武汉大学合作,通过用3D打印的塑料构建一种真人大小的拓扑材料来测试这个理论。

拓扑材料的名称来源于数学领域,该领域解释了甜甜圈和咖啡杯等形状之间的关系(它们都有一个孔)。同样的原理可以解释电子是如何跳离的原子在迄今确定的大约20,000左右或如此拓扑材料的表面上的原子。拓扑材料的理论下限赢得了2016年F.Duncan Haldane的物理学奖,普林斯顿谢尔曼飞童大学物理学教授。

是什么让这些晶体如此有趣的科学家是他们的矛盾电子特性。晶体的内部没有能力进行电流 - 它是绝缘体。但将晶体切成两半,并且电子将略微穿过新透露的表面而没有任何阻力,受其拓扑性质的保护。

解释位于表面上的电子与内部或散装之间的连接。电子可以被认为不是单独的颗粒,而是作为散布在池塘中扔在鹅卵石的水的波浪。在该量子力学视图中,通过称为量子波功能的扩展波描述了每个电子位置。在拓扑材料中,散装中的电子的量子灯功能扩散到晶体或表面边界的边缘。散装和边界之间的这种对应关系导致完全导电的表面状态。

这种“散界对应”来解释拓扑面传导的原则在两年前广泛接受,当时少数科学论文揭示了脆弱拓扑的存在。与通常的拓扑状态不同,脆弱的拓扑状态没有导电表面状态。

“通常的批量边界对应原则突破,”伯恩维格说。但是究竟是多么难题。

在两个中的第一个科学Bernevig、Song和Elcoro的论文为解释脆弱拓扑的新体边界对应提供了理论解释。合作者表明,脆弱拓扑的电子波函数仅在特定条件下扩展到表面,研究人员称之为扭曲体边界对应。

研究小组进一步发现,扭曲的体边界对应关系可以调整,以使导电表面状态重现。“基于波函数的形状,我们设计了一套机制来在边界上引入干扰,使得边界状态必然变得完美地传导,”巴斯克自治区大学教授Luis Elcoro说。

根据研究人员称,寻找新的总体原则总是有兴趣物理学家的东西,但这种新的批量边界对应也可能具有一些实用价值。“脆弱拓扑的扭曲散装 - 边界对应关系提供了控制表面状态的潜在程序,这可能在机械,电子和光学应用中有用,”宋表示。

但是,考虑到必须在无限小的原子尺度上干涉边界,证明该理论有效几乎是不可能的。因此,研究小组求助于合作者来构建一个真人大小的模型来探索他们的想法。

第二科学纸张,Sebastian Huber和他在Eth苏黎世的团队使用3D印刷零件建造了一个大型模拟拓扑晶体。它们使用声波来表示电子波力发射。它们插入屏障以阻挡声波的路径,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,然后表明通过操纵它,它们可以证明自由导电的声波在表面上行进。

“这是一个非常左派的想法和实现,”Huber说。“我们现在可以证明,在我们的人工系统中实现的几乎所有拓扑状态都是脆弱的,不像过去所认为的那样稳定。这项工作提供了这一确认,但更重要的是,它引入了一个新的总体原则。”

参考:Zhi-da Song,Luis Elcoro和B. Andrei Bernevig,2020年2月14日,“脆弱拓扑扭曲 - 拓扑扭曲 - 拓扑扭曲对应关系”,科学
DOI:10.1126/science.aaz7650

普林斯顿团队的工作得到了美国能源部(Grand DE-SC000 1623)的支持,国家科学基金会(GealthGrand DMR 1643312和MRSEC授予DMR-142051),Simons研究者格兰特(404513),海军研究办公室(授予N000 014-14-1-0330),戴维和卢西尔帕卡德基金会,还有约翰.西蒙古根海姆纪念基金会的古根海姆奖学金。Luis Elcoro是由巴斯克自治区政府资助的,Sebastian Huber承认瑞士国家科学基金会、瑞士国家研究中心QSIT和欧洲研究委员会(授予771503)的资金。

是第一个评论关于“研究人员解释未来材料中奇怪的电子流”

发表评论

电子邮件地址是可选的。如果提供,您的电子邮件将不会发布或共享。