当前位置： 绝缘体 >> 绝缘体前景 >> 迄今最好的拓扑导体螺旋楼梯结构的薄晶体
近日，发表在NATURE（自然）杂志上的一篇文章报道了一种新的拓扑导体，其形式为具有螺旋楼梯结构的薄晶体样品。
螺旋拓扑导体示意图这种具有特殊性能（抗缺陷性能）的拓扑材料，有望应用于电子、光学、量子计算和其他领域，可以说开辟了材料科学的新领域。
拓扑导体实验数据图1当前，比较热门的拓扑材料为拓扑绝缘体，他们的表面电阻很小，而它们的内部（所谓的“大块”材料）则不导电，因此这有利于导电，这有点类似于超导体，但拓扑绝缘体不需要低温（超导体需要在低温环境来保持超导特性）。
拓扑导体实验数据图2现在，在伯克利实验室工作的一组研究人员发现了最强的拓扑导体，其形式为具有螺旋楼梯结构的薄晶体样品，由于这种晶体样品基于水晶，因此称为拓扑手性晶体。
拓扑导体实验数据图3作为最新研究焦点的水晶样本中的DNA样螺旋结构表现出手性或“手性”，“手性”的说法源自人的左右手，因为一个人可以是左撇子或右撇子，左手是右手的镜像，某些情况下的手性特性可以翻转，就像左撇子成为惯用右手的人一样。
拓扑导体实验数据图4“在这项新工作中，我们证明了这是一种新的量子物质状态，它也表现出近乎理想的拓扑表面特性，这是由于晶体结构的手性而产生的，”M.ZahidHasan说到，作为伯克利实验室材料科学部门的访问教师科学家，他是材料理论和实验的先驱，同时Hasan也是普林斯顿大学的物理学教授。
拓扑导体实验数据图5拓扑是一种成熟的数学概念，即使物体以其他方式拉伸或变形，也与物体的几何属性的保存有关，这在3D电子材料中的一些实验中得到应用，例如发现材料电子结构中的拓扑行为，这仅在十多年前才实现，源自于伯克利实验室早期和持续的贡献。
拓扑导体实验数据图6“经过12年多的拓扑物理和材料研究，我确实认为这只是冰山一角”Hasan补充道。“根据我们的测量结果，这是迄今为止发现的最坚固、受拓扑保护的导体金属，它将我们带到了材料科学一个新的前沿。”
拓扑导体实验数据图7参与理论和实验工作的普林斯顿研究员IlyaBelopolski指出：“所研究的晶体（包括钴-硅和铑-硅晶体）的一个特别有趣的特性是当你照亮它们时，它们可以产生一个电流，我们之前的理论表明：基于我们现在观察到的材料的电子特性，电流将固定在特定值”IlyaBelopolski说，“无论样品有多大，或者它是否脏，都无关紧要，这是一个普遍的价值，这太棒了。”
拓扑导体实验数据图8以前在ALS的实验中，Hasan的研究小组揭示了一种称为Weyl费米子的无质量准粒子的存在，这种粒子在理论上已经存在了大约85年。
拓扑导体实验数据图9Weyl费米子在半金属（半金属是具有一些金属和一些非金属性质的材料）的合成晶体中被观察到，称为砷化钽，具有与最新研究中使用的晶体相似的电子特性，但缺乏其手性特征。“我们早期关于Weyl半金属的研究为研究特殊拓扑导体铺平了道路”哈桑说，年11月的一项研究侧重于围绕这些特殊材料的理论，Hasan的团队预测，铑-硅中的电子和许多相关材料的表现非常不寻常。该团队预测，材料中的准粒子像无质量电子一样出现，应该表现得像减速的3D粒子光，具有明确的手性或手性特征，不像拓扑绝缘体或石墨烯。
拓扑导体实验数据图10此外，他们在年10月1日发表在“自然材料”杂志上的计算结果表明，晶体中的电子在它们的运动中表现得就像它们是磁单极子一样（磁单极子是具有单个磁极的假设粒子，就像没有南极的地球一样可以独立于北极移动），Hasan指出，所有这些不同寻常的拓扑行为都指向晶体样品的手性特性，这些晶体样品产生螺旋或“螺旋”电子结构，如实验中所观察到的。所研究的样品含有高达几毫米的晶体，普林斯顿拓扑量子物质和高级光谱实验室的Hasan小组，使用低温扫描隧道显微镜扫描晶体原子级样品，然后将样品运送到伯克利实验室。
拓扑导体实验数据图11在ALS研究之前，样品在伯克利实验室的分子铸造厂（一家纳米级科学研究机构）进行了专门的抛光处理，普林斯顿大学的研究人员丹尼尔·桑切斯和泰勒·科克伦说，这些研究的样本通常是“裂开的”或破裂的，因此它们是原子级平坦的。但在这种情况下，晶体结合非常强，因为晶体具有立方体形状，因此，团队成员与MolecularFoundry的工作人员合作，在晶体样品上喷射高能氩原子，对其进行清洁和压平，然后通过加热过程对样品进行重结晶和抛光。研究人员在ALS上使用两种不同的X射线光束线来揭示晶体样品的不寻常的电子和自旋特性。
拓扑导体实验数据图12因为样品中的电子行为似乎模仿了晶体结构中的手性，Hasan说还有许多其他途径需要探索，“例如测试超导性是否可以通过其他材料转移到拓扑导体上，这可能会导致一种新型超导体，”他说，“或探索新的量子效应，是否有可能有一个手性拓扑超导体？”
此外，虽然在最新研究中观察到的铑-硅和钴-硅晶体中的拓扑性质被认为是理想的，但还有许多其他材料已被确定，可用于评估其在实际应用中改善性能的潜力，Hasan补充道，并指出他的团队之前在预测材料的拓扑性能方面取得了成功，“通过明确的理论预测，我们将理论和实验相结合，推进了知识前沿。”
