有一種新材料，它表面會導電，但內部卻是絕緣體！是不是很神奇？

2020-10-18 博科園

拓撲絕緣體是一種創新材料，它在表面導電，但在內部卻是絕緣體。巴塞爾大學和伊斯坦堡技術大學的物理學家，已經開始研究拓撲絕緣體對摩擦的反應。實驗表明，摩擦產生的熱量明顯低於傳統材料，這是由於一種新的量子機制，其研究發現發表在《自然材料》期刊上。由於其獨特的電氣特性，拓撲絕緣體有望在電子和計算機行業以及量子計算機的開發中實現許多創新。薄薄的表面層可以幾乎沒有電阻地導電，從而產生比傳統材料更少的熱量。

這使得拓撲絕緣體在電子元件的應用讓科學家們特別感興趣。此外，在拓撲絕緣體中，電子摩擦（即電子介導的電能到熱的轉換）可以被減少和控制。巴塞爾大學、瑞士納米科學研究所(SNI)和伊斯坦堡技術大學的研究人員現在已經能夠通過實驗驗證，並確切演示通過摩擦從能量轉變為熱量的行為，這一過程稱為耗散。由巴塞爾大學物理系Ernst Meyer教授領導的團隊，研究了碲化鉍拓撲絕緣體表面摩擦的影響。

科學家們在擺動模式下使用了原子力顯微鏡，由金製成的導電顯微鏡尖端在拓撲絕緣體二維表面上來回擺動。當向顯微鏡尖端施加電壓時，鐘擺的運動在表面上誘導出小電流。在傳統材料中，一部分電能通過摩擦轉化為熱，拓撲絕緣體導電錶面上的結果看起來非常不同：通過轉換為熱的能量損失顯著減少。在SNI博士學院進行這項工作的Dilek Yildiz博士解釋道：測量清楚地表明，在某些電壓下，電子摩擦幾乎不會產生熱量。

研究人員還首次能夠觀察到一種新的量子力學耗散機制，這種機制只在特定電壓下發生。在這些條件下，電子從尖端通過中間狀態遷移到材料中，類似於掃描隧道顯微鏡中的隧道效應。通過調節電壓，科學家能夠影響耗散。這些測量證實了拓撲絕緣體的巨大潛力，因為電子摩擦可以有針對性地控制。電阻加熱引起的焦耳能量損失在電子器件中無處不在，而量子力學的耗散在很大程度上未被探索。本研究在實驗觀察到由於拓撲保護的表面態對Bi2Te3中焦耳耗散的抑制。

相反，通過擺原子力顯微鏡觀察到了一種不同類型的耗散機制，這與單電子隧穿共振進入略高於Bi2Te3表面有關。磁場施加導致表面態拓撲保護的破壞，恢復了預期的焦耳耗散過程。擺原子力顯微鏡懸臂梁所經歷的納米機械能量耗散，提供了關於拓撲絕緣體表面量子隧穿現象耗散本質的豐富信息來源，以及將機械振蕩器耦合到一般量子材料的含義。

博科園｜研究/來自：巴塞爾大學

參考期刊《自然材料》

DOI: 10.1038/s41563-019-0492-3

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