一个国际科学家团队发现了一种新型、奇异的金属表面绝缘材料，它可以使电子产品甚至量子计算变得更加高效。研究人员开发了一种分析现有化合物的新方法，该方法依赖于诸如控制日常墙纸重复图案的对称性等数学特性。
“拓扑结构的美妙之处在于，人们可以运用对称原理来发现和分类材料，”普林斯顿大学(Princeton)物理学教授安德烈·伯纳维格(B. Andrei Bernevig)说。
这项研究发表在7月20日的《科学》杂志上，涉及来自普林斯顿大学、宾夕法尼亚大学、成均馆大学、柏林自由大学和马克斯普朗克微观结构物理研究所的团队合作。
发现这种形式的lead-strontium (Sr2Pb3)完成长达十年的寻找一个难以捉摸的三维材料,结合了独特的二维石墨烯的电子特性和三维拓扑绝缘体,一个阶段的问题发现在2005年独立作品查尔斯·凯恩宾夕法尼亚大学和普林斯顿大学Bernevig。
一些科学家提出理论，拓扑绝缘体可以作为超高速量子计算的基础。拓扑绝缘体在内部绝缘，但在表面导电。
“你可以想象一个拓扑绝缘体，比如好时之吻，”该论文的通讯作者凯恩(Kane)说。“巧克力是绝缘体，箔是导体。我们一直在努力寻找一种新的材料，它的晶体对称性可以保护导电表面。我们所做的就是识别出最简单的拓扑晶体绝缘体。”
这项新工作展示了某些二维表面的对称性如何约束三维绝缘体的空间布局(拓扑结构)。
在传统的三维拓扑绝缘体中，每个二维表面都表现出一个具有锥状色散的单特征态群。这些锥状体类似于石墨烯上被称为Dirac锥状体的元素，这些特征赋予了材料和其他二维Dirac半金属不同寻常的电子传输特性，但它们是不同的，因为石墨烯拥有四对Dirac锥状体，并将它们“粘”在一起。
这种锶铅样品(Sr2Pb3)具有四倍的狄拉克锥面状态，这是一组四种二维电子表面状态，它们以直线的形式远离动量空间中的一个点。
凯恩曾怀疑，由于晶体对称性，第二种拓扑绝缘体可能存在于一对粘在一起的狄拉克锥。“我意识到，在纯二维材料中，一对狄拉克锥是不可能的，但在一种新型拓扑绝缘体的表面，这是可能的。但当我试图构建这样一种状态时，两个锥体总是脱胶。”
当本杰明·威德(Benjamin Wieder)访问普林斯顿时，一个解决方案出现了。威德当时是凯恩团队的一名研究生，现在是普林斯顿大学的博士后助理。在普林斯顿大学，Bernevig和他的同事王志军(音)刚刚发现了“沙漏绝缘体”——一种拓扑绝缘体，具有奇怪的连锁沙漏状状态模式——Wieder认为这种绝缘体的行为就像你用一种特殊图案墙纸包裹了一个三维晶体。
维德说:“我们意识到，你不仅可以得到沙漏形绝缘体，还可以得到这种特殊的狄拉克绝缘体，方法是找到一种看起来像被合适墙纸覆盖的晶体。”
特别是，他们认识到一对粘在一起的狄拉克锥可以稳定在晶体表面上，晶体表面有两条相交的线，这两条线在垂直翻转和旋转后表面看起来是一样的。这些线条，被称为滑翔反射，描述了所谓的非对称墙纸群，因此提供了这个新阶段的同名，该团队称之为“非对称Dirac绝缘体”。
研究人员很快将数学的严密性应用到维德的灵感上，形成了一种新的、基于墙纸对称的三维晶体体拓扑诊断方法。
研究报告的撰写者之一、普林斯顿理论科学中心(PCTS)的副研究员巴里•布拉德林说:“这些基本原理非常简单，我们当天晚上就在餐巾上勾勒出了它们的草图。”
“但它们仍然足够强大，能够预测和理解真实材料中大量新的拓扑相，”王说，他是一名物理学博士后研究员。
佩恩大学的安德鲁·拉普(Andrew Rappe)是这篇论文的另一位合著者，他说，这一发现使科学家们首次能够直接将一个表面的对称性与所期望的拓扑表面状态的存在联系起来。“这为设计理想的表面和界面状态提供了一种优雅且立即有用的方法。”
为了识别自然界中的Dirac绝缘相，研究人员计算了数百种之前合成的化合物的电子结构，这些化合物的表面有两条滑移线(墙纸基pgg和p4g)，然后确定了铅锶中的新拓扑结构。
计算化学家“知道他们是在大海捞针，但没人费心告诉他们针可能有多小，”PCTS的副研究员詹妮弗卡诺(Jennifer Cano)说。
随着更多奇异拓扑绝缘体的发现，墙纸群对称性的作用，以及特殊的、类石墨烯锥在Dirac绝缘体中的作用，被进一步固化。
伯纳维格说:“当你能在保持时间反转对称性的同时分裂出一个真正的狄拉克锥面，一些真正特殊的事情就会发生。”“你会得到三维绝缘体，它的二维表面也是一种拓扑绝缘体。最近，该研究小组的几位成员已经在铋晶体和双碲化钼(MoTe2)中预测到了这种相。
此外，利用拓扑量子化学这一新理论，研究人员希望能发现更多的奇异相。
“如果我们能用正确的墙纸来油漆这些材料，我们会看到更多的狄拉克绝缘体，”维德说，“但有时，错误的墙纸也很有趣。”
本杰明·威德、巴里·布拉德林、王志军、詹妮弗·卡诺、杨库·金合著的《墙纸费米子与非对称狄拉克绝缘体》;Kim Hyeong-Seok (Daniel)、Andrew Rappe、Charles Kane和B. Andrei Bernevig发表在7月20日的《科学》杂志上。西蒙斯基金会支持的研究(onr – n00014 – 14 – 1 – 0330,带来过度ARO负载w911nf – 12 – 1 – 0461), Nordita,欧洲研究委员会(DM 321031),美国能源部(DE-SC0016239),美国国家科学基金会(dmr – 1643312, NSF-MRSEC dmr – 1420541和dmr – 1120901),帕卡德基金会,施密特创新研究基金和国家自然科学基金(批准11504117)。
普林斯顿大学的科学作家莉兹·富尔-赖特和宾夕法尼亚大学的科学作家凯蒂·贝利为这个故事做出了贡献。