拓撲絕緣體自2007年被發現以來，逐漸成為了凝聚態物理領域的一個的新熱點，並被認為是繼石墨烯（2010年諾貝爾物理學獎）之後的」Next Big Thing」。它對於基礎物理的理解以及半導體器件的應用都有很大的價值， 2016年，大衛·索利斯（David J. Thouless）、鄧肯·霍爾丹（F. Duncan M. Haldane）和麥可·科斯特利茨（J. Michael Kosterlitz）共同獲得了諾貝爾物理學獎，以表彰他們在理論上發現了物質的拓撲相變和拓撲相。那麼拓撲絕緣體究竟是什麼呢？我們一起來科普一下吧。
什麼是拓撲絕緣體？
按照導電性質的不同，材料可分為「導體」和「絕緣體」兩大類；而更進一步，根據電子態的拓撲性質的不同，「絕緣體」和「導體」還可以進行更細緻的劃分。拓撲絕緣體就是根據這樣的新標準而劃分的區別於其他普通絕緣體的一類絕緣體。
因而，拓撲絕緣體的體內與人們通常認識的絕緣體一樣，是絕緣的，但是在它的邊界或表面總是存在導電的邊緣態，這是它有別於普通絕緣體的最獨特的性質。這樣的導電邊緣態在保證一定對稱性（比如時間反演對稱性）的前提下是穩定存在的，而且不同自旋的導電電子的運動方向是相反的，所以信息的傳遞可以通過電子的自旋，而不像傳統材料通過電荷來傳遞。
簡言之，拓撲絕緣體的內部是絕緣體，然而表面卻有被拓撲保護的電子態。這個電子態的維度比內部要低1個維度（比如對一個3維絕緣體，表面電子態就是2維），而且有很多新奇的性質。也正是這些性質，使得它有可能被廣泛的應用。
拓撲絕緣體的作用
所謂電阻，就是電子的運動被某些東西給碰撞阻礙，使其運動受阻的宏觀表現。假設，哆啦A夢代表電子，胖虎是來撞他的雜質，那麼拓撲絕緣體的表面電子防止被雜質散射的過程可以形象地表示為電子是否能背向散射（彈回去）。正是這個性質導致了低電阻，而內部是絕緣體又防止了漏電，從而製造的器件以低功耗運行，使得拓撲絕緣體在半導體器件應用領域有潛在的價值。
拓撲絕緣體的電子運動不符合通常金屬電子色散關係E=k^2/2m，而是E=v*k，v就是電子運動的速率（已假定k0=0）。注意對光而言，有E=c*k成立，其中c為光速，所以我們說，電子的運動方式，不像非相對論的粒子，而像光，只是速率不同。也正是這個性質，使得電子對於外界電場有很靈敏的響應，從而可以作為半導體器件（比如場效應管）的基礎。
新一代拓撲絕緣體
六硼化釤是一個典型的中間價化合物，其中Sm2+和Sm3+的比率為三比七。它屬於一種近藤絕緣體，在高溫下（高於50 K），它的屬性是典型的近藤金屬，強電子散射使其具有金屬導電性，而在低溫下，它表現為具有窄約4-14毫電子伏特帶隙的非磁性的絕緣層。SMB6伴隨著由熱導率急劇增加使冷卻引起的金屬-絕緣體轉變，峰值在約15 K，增加的原因是電子低溫下無助於熱導率，使佔主導地位的電子濃度的減少降低電子-聲子散射率。
一項新的研究指出，它可能是一個拓撲絕緣體。只是目前沒有可信的文獻證實。
如果這樣的理論得到證實，我相信未來諾貝爾物理學獎的名單上必將再次寫上中國人的姓名！
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