拓撲絕緣體,為什麼內部是絕緣體不導電,只能在表面導電?

2020-12-05 博科園
博科園：本文為物理學類

拓撲學領域或對表面在不同維度上如何表現的研究，深刻地影響了當前對物質的理解。最主要的例子是拓撲絕緣體，它只在表面導電，而在內部完全絕緣。拓撲絕緣子的行為類似於金屬，即表面上的銀，但在內部，它的行為就像玻璃。這些屬性是使用電子的導電性或流動來定義的，這些電子描述了它們的運動是否有高速公路或路障。拓撲絕緣體未來應用的一個主要驅動因素是自旋電子器件領域。因為這些電子一致的自旋，所有電子都在表面流動時彼此對齊。

現在，電氣和計算機工程研究人員首次提出：這種相同的電子電導率會影響原子物質內部光的拓撲屬性。普渡大學電氣和計算機工程副教授祖賓·雅各布表示：研究表明，物質可能存在一種新的拓撲相，光只在原子材料的邊緣流動，而不在原子材料內部流動。可能存在一些非常特殊的材料，具有這種獨特的光子特性，這就是物質的量子自旋電相。物質這一相的另一個關鍵定義性質是被稱為「光子斯格明子」的拓撲激發。在傳統的磁鐵中，電子自旋可以被認為是相互對準或反對準的微小箭頭。

與之形成鮮明對比的是：斯格明子是自旋激發，顯示出自旋獨特的翻滾行為，對刺激非常穩定，可用於自旋電子開關和存儲器。量子自旋電相在光波的能量動量空間中承載著斯格明子，可以用作這種物質相的確鑿證據。這種材料可以通過「摻雜」或改變現有材料的原子結構來合成，尋找這一相的好地方是在二維材料中，如石墨烯。Jacob和博士生Todd Van Mechelen在《光學材料快報》發表了一系列四篇研究論文，提出了物質這一相的理論。

未來的研究將探索摻雜二維材料以實現量子自旋電相，並研究光波如何在材料的邊緣傳播。通過利用狄拉克-麥克斯韋對應，研究引入了適用於光子晶體、超材料和二維材料的光子狄拉克單極子概念。從探索真空開始，在真空中，麥克斯韋方程和狄拉克方程(Weyl方程)的倒數動量空間都具有磁單極子。最關鍵的區別是磁性單極電荷的本質，它對於光子來說是整數值，對於電子來說是半整數。這種固有的差異直接與自旋有關，並最終與玻色子或費米子行為相連。

研究還展示了光子狄拉克弦的存在，這是底層Berry規範勢中的線奇點。雖然真空中的結果是直觀預期的，但結果是將這種拓撲狄拉克-麥克斯韋對應應用於二維光子(玻色子)材料，而不是傳統的電子(費米子)材料。有趣的是，在色散物質中，光子狄拉克單極的存在是由非局域量子霍爾電導率(即時空色散的回電常數)捕獲。對於二維光子和電子介質，拓撲相出現在具有破缺時間反轉對稱性的大質量粒子下。研究揭示了新提出的物質量子自旋電相，以及光子自旋量子化在拓撲玻色相中的基本作用。

博科園｜文：Emil Venere/phys參考期刊《光學材料快報》DOI: 10.1364/OME.9.000095博科園｜科學、科技、科研、科普

相關焦點

  • 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？
    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。
  • 量子氣體中的神秘現象:邊緣導電的拓撲絕緣體!
    也就是說，甜甜圈表面的拓撲與咖啡杯表面的拓撲一致，小牛玩具表面的拓撲與球表面的拓撲也一致。（圖片來源：維基百科）因此，如果一個閉合曲面能連續變換到另一個閉合曲面，我們就稱這兩個曲面是拓撲等價的（同一個拓撲相）。否則，我們認為它們是拓撲不等價的，需要「相變」才可以相互轉換。
  • 電子只能在表面跑,竟因內部是絕緣體,但表面卻是完美的導體!
    在過去的15年裡，一類被稱為拓撲絕緣體的材料，主導了對未來材料的搜索。 這些晶體有一個不同尋常的特性：其內部是絕緣體，但表面是完美的導體。
  • 拓撲絕緣體的邊緣無損耗傳導
    半金屬二碲化鎢的原子薄層沿著晶體邊緣的狹窄的一維通道無損傳導電，因此，這種材料是一種二階拓撲絕緣體。通過獲得這種行為的實驗證明，巴塞爾大學的物理學家們擴大了拓撲超導候選材料庫。這一發現已經發表在《Nano Letters》雜誌上。拓撲絕緣體代表了一個關鍵的研究領域，因為它們有可能被用作未來電子學中的超導體。
  • 拓撲絕緣體究竟是什麼東西?為什麼這麼受科學家青睞?
    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。
  • 自然界中存在天然形成的拓撲絕緣體
    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。
  • 取出拓撲絕緣體表面態
    圖2：典型拓撲絕緣體的能帶結構(體帶bulk band和表面態surface states )。(a)示意圖，展示出導帶和價帶的spin helical Dirac cone 結構。(b) ARPES 探測到的典型帶結構，其中體帶和表面態結構一目了然！(c)實空間中拓撲絕緣體的表面態輸運。
  • 拓撲絕緣體簡介
    1　量子霍爾效應和量子自旋霍爾效應1879年，Hall發現了霍爾效應；1980年，von Klitzing在矽的金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET)中首次觀測到整數量子霍爾效應(QHE)，霍爾電導σxy=ne2/h (n 是整數) 是量子化的，σxy對樣品的大小、形狀、載流子密度甚至遷移率均不敏感，這說明存在某種內在的不變量。
  • 彭海琳丨拓撲絕緣體:基礎及新興應用
    經過數十年的深入研究，拓撲絕緣體在理論基礎、材料體系、製備方法、物理性質、新型應用拓展等方面取得了顯著進步。從紅外到太赫茲頻段的超寬頻響應使拓撲絕緣體在微電子、光電子及自旋電子學等方面具有令人矚目的應用前景。由此，系統總結拓撲絕緣體國內外最新的研究成果，對推動其實際應用至關重要。電子學和微電子學在20世紀取得了重大成就。
  • 量子計算的裡程碑:科學家實驗性觀測到拓撲絕緣體表面電流
    德國科學家實驗性的觀察到電流流經拓撲絕緣體晶體表面通道拓撲絕緣體是材料物理學裡的一個熱門話題。這些材料最顯著的特性便是它們既可作為導體也可作為絕緣體，他們的內部阻止電流通過而邊緣或表面則允許電荷的移動。
  • 新拓撲絕緣體有可預測的最大能隙
    原標題：新拓撲絕緣體有可預測的最大能隙 美國猶他大學的研究人員創建出一種新的拓撲絕緣體，其可作為矽半導體頂部金屬層的特殊材料，將使超高速計算機在室溫下執行快速運算成為可能。該項研究成果刊登在近日美國《國家科學院學報》上。
  • 材料人科普 諾獎中的拓撲絕緣體到底是什麼鬼?
    即使有人想回歸材料的角度，比如Bi2Se3族的拓撲絕緣體說起，然而這只是實驗上發現的一小類拓撲絕緣體，叫做「Z2三維強拓撲絕緣體」。。。看吧！很難下定義吧。本文作為小科普，選用一個折中的定義。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。
  • 一種新的量子材料--拓撲絕緣體
    一、拓撲絕緣體簡介按照導電性質的不同，材料可分為「金屬」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「金屬」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。
  • 物理史上首份「拓撲圖鑑」,鋪平科學家尋找拓撲絕緣體之路
    拓撲絕緣體具有非常神奇的特質，它內部絕緣，表面導電；是導體和絕緣體兩種相反性質的結合。而且，其導電的表面態源於材料整體的內稟性質，任何雜質和缺陷都不會影響它。想像一種電阻值不受長度、橫截面積影響的導體；想像一臺放在你桌面的量子計算機；想像一種甚至不靠電流傳遞電信號的元件——這些就是拓撲材料在我們生活中的潛在應用。但是，由於涉及到對能級計算、對性質的構想，尋找新的拓撲絕緣體通常是一個艱苦的過程。
  • 拓撲絕緣體進入第四維空間
    ，被稱為拓撲絕緣體的材料也具有能夠在其表面導電的非凡特性。我們通過比較球體和甜甜圈的空間特徵，可以看出拓撲結構的重要性。我們不可能通過逐漸改變它們的形狀，來將它們彼此轉化-拉伸。擠壓或其他變形都不會使甜甜圈變成球，反之亦然。這種改變只能通過突然的，不連續的動作來實現，即插入或移除孔。
  • 有了拓撲絕緣體,手機再也不需充電了?
    據dailymail報導，中日科學家在拓撲絕緣體上做起了文章，他們發現了一種新的充電方式，可以在在室溫下直接產生電流，不僅不需要外部充電，更不會造成能量損耗
  • 拓撲絕緣體的一個新突破
    但有一種神奇的材料，它的內部是絕緣的，界面卻是可以導電的，這種材料被稱為拓撲絕緣體。自發現以來，拓撲絕緣體一直是凝聚態物理的研究熱點。 拓撲絕緣體的能帶示意圖。通常絕緣體的導帶（conduction band）與價帶（valence band）之間存在能隙，電子無法傳導，而在拓撲絕緣體的表面存在一些位於能隙間的量子態——拓撲表面態（topological surface state），允許電子傳導。
  • 拓撲絕緣體材料突破登上《自然》
    他們發明了一種全新材料，既具有強相關性電子相互作用，同時還具有拓撲特性的材料。這意味著，科學家們探索物理世界有了新平臺，更重要的是，他們為更穩定的量子計算鋪平了道路。這項研究和拓撲絕緣體有關，發表在了《自然》的子刊《自然-物理學》上。簡單科普一下拓撲絕緣體的概念。首先，拓撲本身是個數學概念，它研究的是「不連續」的特徵。
  • 拓撲絕緣體實驗研究取得新進展
    原位角分辨光電子能譜測量顯示，這些薄膜具有本徵的絕緣體特徵。三維拓撲絕緣體的量子薄膜的實現為理論預言的量子反常霍爾效應、巨大熱電效應、激子凝聚等新奇量子現象的研究提供了基礎，是在拓撲絕緣體材料製備方面的一個重要進展。
  • 深入了解拓撲絕緣體:電子的自旋和動量緊密地聯繫在一起!
    本文參加百家號科學#了不起的前沿科技#系列徵文某些材料，如銅，導電性能很好，而其他材質，如玻璃，則不能。一種稱為拓撲絕緣體的特定材料，部分類似於其中一種，部分類似於另一種，行為類似於表面上的導體和內部絕緣體。