电子沿着某些不寻常的晶体材料的表面快速运动，只是有时它们不运动。来自普林斯顿大学的研究人员和他们的合作者的两项新研究解释了这一令人惊讶的行为的来源，并绘制了一条恢复电子在这些非凡的晶体中快速流动的路线，这些晶体因其在未来的技术(包括量子计算机)中的潜在应用而受到珍视。
这项研究发表在2月14日的《科学》杂志上;阅读已发表的第一项研究和第二项研究。
在过去的15年里，一种被称为拓扑绝缘体的材料主导了未来材料的研究。这些晶体有一个不寻常的特性:它们的内部是绝缘体——电子不能流动的地方——但它们的表面是完美的导体，电子流动时没有阻力。这种材料可以使技术比现在的设备运行更快，更节能。
直到两年前，人们才发现一些拓扑材料实际上无法在其表面导电，这种现象被称为“脆弱拓扑”。
“脆弱的拓扑结构是一种奇怪的怪兽:现在预测它存在于数百种材料中，”普林斯顿大学(Princeton)物理学教授、两篇论文的合著者b·安德烈·伯纳维格(B. Andrei Bernevig)说。“这就好像我们一直依赖的通过实验确定拓扑状态的常规原理失效了。”
为了弄清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。与巴斯克地区大学的路易斯·埃尔科罗(Luis Elcoro)一起，伯纳维格和普林斯顿大学博士后研究员宋志达(zhida Song)构建了一个数学理论来解释材料内部发生的事情。
接下来,塞巴斯蒂安·休伯和他的团队在苏黎世联邦理工学院,普林斯顿大学与Bernevig和他的团队合作以及在以色列魏茨曼科学研究所的科学家们,华南理工大学,武汉大学,建设一个真人大小的拓扑材料来测试这个理论的3 d打印的塑料。
拓扑材料的名字来源于数学领域，用来解释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如何在迄今发现的大约20,000种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为普林斯顿大学谢尔曼·费尔柴尔德大学(Sherman Fairchild University)的物理学教授f·邓肯·霍尔丹(F. Duncan Haldane)赢得了2016年诺贝尔物理学奖。
使科学家们对这些晶体如此感兴趣的是它们自相矛盾的电子特性。晶体内部没有传导电流的能力——它是绝缘体。但是把晶体切成两半，电子就会毫无阻力地掠过新显露的表面，受到它们拓扑性质的保护。
原因在于表面电子和内部电子之间的联系。电子可以被认为不是单个的粒子，而是像从池塘里扔出的卵石泛起的水波。在量子力学的观点中，每个电子的位置是由一个叫做量子波函数的扩展波来描述的。在拓扑材料中，电子在体中的量子波函数扩展到晶体的边缘，即表面边界。这种块体和晶界之间的对应关系使电子能够无阻力地通过晶体表面。
这种解释拓扑表面传导的“块边界对应”原理在两年前被广泛接受，当时一些科学论文揭示了脆弱拓扑的存在。与通常的拓扑状态不同，脆性拓扑状态没有导电表面状态。
“通常的批量边界对应原则被打破了，”Bernevig说。但究竟是如何做到的仍然是个谜。
在这两篇科学论文的第一篇中，Bernevig、Song和Elcoro为一种解释脆弱拓扑的新块边界对应提供了理论解释。研究人员发现，脆性拓扑结构的电子波函数只在特定条件下才会延伸到表面，研究人员称这种现象为扭曲的体积-边界对应关系。
研究小组进一步发现，扭曲的体积-边界对应关系可以调整，从而使传导表面状态重新出现。“根据波函数的形状，我们设计了一套机制，在边界上引入干扰，使得边界状态必须成为完美的传导，”巴斯克地区大学的教授路易斯·埃尔科罗(Luis Elcoro)说。
发现新的总体原理一直是物理学家们感兴趣的事情，但根据研究人员的说法，这种新的大体积-边界-对应关系可能也有一些实用价值。“脆弱拓扑结构的扭曲体-边界-对应关系为控制表面状态提供了一个潜在的过程，这可能在机械、电子和光学应用中很有用，”Song说。
但是，要证明这个理论是有效的，实际上是不可能的，因为人们必须在无穷小的原子尺度上干涉边界。因此，这个团队求助于合作者来建立一个真实大小的模型来探索他们的想法。
在第二篇发表于《科学》杂志的论文中，苏黎世联邦理工学院的Sebastian Huber和他的团队利用3D打印部件，用塑料制作了一个大型的模拟拓扑晶体。他们用声波来表示电子波函数。他们插入障碍物来阻挡声波的路径，这类似于切割晶体来显示传导表面。通过这种方式，研究人员模拟了扭曲的边界条件，然后证明通过操纵它，他们可以证明自由传导的声波在表面传播。
“这是一个非常左倾的想法和实现，”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，不像过去认为的那样稳定。这项工作提供了这种确认，但更多的是，它引入了一个新的总体原则。”
由普林斯顿大学团队的工作是由美国能源部(格兰特DE-SC0016239),美国国家科学基金会(希望格兰特DMR 1643312和MRSEC格兰特DMR – 142051),西蒙斯侦探格兰特(404513),美国海军研究办公室(格兰特n00014 – 14 – 1 – 0330),戴维和露西尔帕卡德基金会,埃里克和;温迪·施密特变革性技术基金，以及约翰·西蒙·古根海姆纪念基金会和普林斯顿大学埃里克和温迪·施密特变革性技术基金的古根海姆奖学金。Luis Elcoro得到了巴斯克地区政府的资助，Sebastian Huber也得到了瑞士国家科学基金会、瑞士国家科研能力中心和欧洲研究理事会的资助。
这项名为“脆弱拓扑的扭曲体边界对应”的研究，由宋志达、路易斯·埃尔科罗、安德烈·伯纳维格发表在2020年2月14日的《科学》杂志上。DOI 10.1126 / science.aaz7650
这项由Valerio Peri, zhio – da Song, Marc Serra-Garcia, Pascal Engeler, Raquel Queiroz, Xueqin Huang, Weiyin Deng, Zhengyou Liu, B. Andrei Bernevig和Sebastian D. Huber进行的研究发表在了2020年2月14日的《科学》杂志上。DOI: 10.1126 / science.aaz7654
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