自然界中存在天然形成的拓撲絕緣體

2020-12-05 人民網

　　本報訊 據《自然》網站3月8日報導，最近，德國馬克斯·普朗克研究院固體研究所科學家發現，自然界中也存在天然形成的拓撲絕緣體，而且比人工合成的更純淨。這一發現對建造自旋電子設備具有促進作用，並有助於設計開發用電子自旋來編碼信息的量子計算機。研究結果發表在最近出版的《納米快報》上。

　　拓撲絕緣體是一種奇特材料，其表面能導電而內部卻絕緣。這是因為其內部電子自旋與電子自身的運動相互耦合，迫使電子圍繞一個點旋轉而不能穿越整塊材料，這樣就無法導電。但在材料邊緣，電子沒有足夠空間旋轉運動，被迫沿著表面呈半圓形跳躍，由此變得能夠導電。早在2005年，科學家就預測了拓撲絕緣體的存在，直到2008年首次用重元素合成了這種材料。

　　馬克斯·普朗克研究院固體研究所的帕斯卡·格林和同事首次用一種自然界的礦物演示了這種性質。他們在捷克共和國的一處舊金礦發現了一種天然的硒碲鉍礦物樣本，其中含有鉍、碲、硒和硫。他們從中分離出一些單晶層，約0.7毫米寬，對其進行了光電子能譜測試（拓撲絕緣體標準檢測），包括用紫外光照射材料表面擊出電子，然後檢測擊出電子的性質。最終證明了該材料的電子能量和動量分布都與對拓撲絕緣體的預測相符。

　　美國猶他州大學材料科學家劉鋒（音譯）指出，過去硒碲鉍礦是人工合成的，但實驗室造出的拓撲絕緣體結構上存在瑕疵，會在材料內部不希望的地方產生導電性。人們以為天然礦物會含有更多雜質，但「令人吃驚的是，研究小組發現的天然樣本比人工合成的更純淨。在實驗室製造還要經過加工、提純，用自然供給的拓撲絕緣材料可能會更便宜」。

　　拓撲絕緣體只有一層薄薄的導電層，因此要控制它的電子自旋相對容易。「拓撲絕緣體提高了建造自旋設備的可能性。」格林說，在自旋設備中，電流是受電子自旋驅動而不是電壓，而自旋是電子本身固有的性質。物理學家正在研究建造自旋量子計算機。這是用電子自旋來給信息編碼，而不是用電流開關。電子自旋能迅速旋轉而無需消耗很多能量，所以自旋設備會比同類的電子設備效率更高，其所需的能量僅是用來改變電荷。（常麗君）

(來源:科技日報)

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