即使是内部绝缘体，被称为拓扑绝缘体的材料也具有能够在其表面导电的非凡特性。如果这还不够奇怪，那么物理学家现在已经通过实验证明了这种材料可以在四个空间维度上存在。来自新加坡和英国的研究人员通过将一堆电路板连接起来以表示高度互相连接的晶格来实现这一壮举，并表示他们的方案可以扩展到五个甚至六个维度。

我们通过比较球体和甜甜圈的空间特征，可以看出拓扑结构的重要性。我们不可能通过逐渐改变它们的形状，来将它们彼此转化-拉伸。挤压或其他变形都不会使甜甜圈变成球，反之亦然。这种改变只能通过突然的，不连续的动作来实现，即插入或移除孔。

类似的想法是拓扑绝缘体的基础，但是这种情况下的转换不涉及材料的空间特性。相反，它涉及在材料中流动的电子的波函数。这些包含实际上是一个结，因此无法将拓扑绝缘体平滑地转换为普通绝缘体。相反，该材料必须首先成为金属。这意味着即使材料的大部分是绝缘的，它与外界的物理边界也可以导电。

以前已经在二维和三维中看到了这种现象。在前一种情况下，该材料年首次观察到，类似于量子霍尔效应。该材料由一个绝缘平面组成，该绝缘平面具有沿边缘流动的一维电流。从年开始检测到的后一种情况是，电流在一定范围内流过大体积绝缘子的表面。在这两种情况下，当电子的自旋与其在空间中传播时的轨道运动相互作用时，都会产生电流。即使所涉及的边缘或表面变形，这些电流也会持续存在。

超越三个维度

理论家告诉我们，拓扑绝缘子也应以更高的尺寸存在。确实，研究人员以前曾在四个维度上观察过它们，但他们是通过将4D系统映射到2D系统来观察的。相反，最新的工作涉及直接创建4D拓扑绝缘体，当将其限制为三个或更少的尺寸时，它将充当标准绝缘体，并且仅当扩展到第四维时才显示出其奇异特性。

新型4D绝缘子基于伯明翰大学的汉娜·普莱斯（HannahPrice）绘制的模型，并由南洋理工大学的YidongChong领导的团队通过实验实现。为了制造绝缘体，该团队依靠一种称为超材料的人工构造。构建这种超材料的过程包括用电容器和电感器制造数十个电振荡器，然后将它们安排在彼此堆叠的几块电路板上的网格中。Chong说，每个振荡器的行为都像人造原子，整个系统的作用就像是晶体，电流可以流过该晶体。

两组四个点的正方形网格。左组在网格边缘上有暗红色的点，表示高电流。正确的位置在整个过程中具有较温和的黄色到橙色的点，表示低电流（绝缘体状态）

想法是连接振荡器，以便它们实际上在四个维度上都具有电气性能，即使它们实际上位于我们的3D世界中。正如Chong解释的那样，如果每个振荡器仅链接到其最近的邻居，这将是不可能的。但是，可以通过将这些对象中的每个对象与行中的上下两个对象链接起来，将额外的维添加到其他一维振荡器行中。然后可以推断这个想法，以便在3D空间中（到（六个）最近邻居的连接）之外的连接产生的电路的行为就好像它位于4D空间中一样。

测试预测

为了测试他们的系统，Chong及其同事通过电路发送了电压脉冲。他们发现，当按照Price模型对电路进行布线时，这些脉冲会以波状传播通过连接，从而形成材料的3D“表面”，而不是在4D块内。他们还观察到，通过调整电路组件，它们可以使波从表面消失，从而将材料变成简单的绝缘体。

Chong认为，科学家此前曾认为不可能通过实验实现这种4D系统。他说：“据信这只是理论研究的领域。”“这里的窍门是我们不是在使用一种实际的材料，而是一种合成的材料。”

波兰Jagiellonian大学的KrzysztofSacha并未参与这项研究，他认为这项工作对于拓扑绝缘子的可能应用是个好兆头，因为即使这些组件的电容和电感值不精确，其表面状态仍保持完整。他说：“从未来的应用来看，量子系统是最重要的候选者之一，这种拓扑系统对干扰的鲁棒性非常有希望。”

普莱斯说，这项特殊的研究不会应用于量子计算机，因为所使用的超材料是纯粹的经典系统，无法支持纠缠。但是她认为，这项工作为其他更高维度的系统铺平了道路。她说：“有人建议在5D和6D中可能会发生一些非常酷的事情。”

英国圣安德鲁斯大学的ChrisHooley也认为该特殊系统不太可能立即应用。但他同意，从长远来看，技术可能会受益。他指出：“受保护的表面态可能用于量子计算的一般想法已经存在了一段时间。”“而且这种系统为我们提供了一些新的受保护表面状态，所以一个人永远都不知道！”