4D超材料的示意圖即使是內部絕緣體，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。如果這還不夠奇怪，那麼物理學家現在已經通過實驗證明了這種材料可以在四個空間維度上存在。來自新加坡和英國的研究人員通過將一堆電路板連接起來以表示高度互相連接的晶格來實現這一壯舉，並表示他們的方案可以擴展到五個甚至六個維度。
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。
類似的想法是拓撲絕緣體的基礎，但是這種情況下的轉換不涉及材料的空間特性。相反，它涉及在材料中流動的電子的波函數。這些包含實際上是一個結，因此無法將拓撲絕緣體平滑地轉換為普通絕緣體。相反，該材料必須首先成為金屬。這意味著即使材料的大部分是絕緣的，它與外界的物理邊界也可以導電。
以前已經在二維和三維中看到了這種現象。在前一種情況下，該材料2007年首次觀察到，類似於量子霍爾效應。該材料由一個絕緣平面組成，該絕緣平面具有沿邊緣流動的一維電流。從2008年開始檢測到的後一種情況是，電流在一定範圍內流過大體積絕緣子的表面。在這兩種情況下，當電子的自旋與其在空間中傳播時的軌道運動相互作用時，都會產生電流。即使所涉及的邊緣或表面變形，這些電流也會持續存在。
超越三個維度
理論家告訴我們，拓撲絕緣子也應以更高的尺寸存在。確實，研究人員以前曾在四個維度上觀察過它們，但他們是通過將4D系統映射到2D系統來觀察的。相反，最新的工作涉及直接創建4D拓撲絕緣體，當將其限制為三個或更少的尺寸時，它將充當標準絕緣體，並且僅當擴展到第四維時才顯示出其奇異特性。
新型4D絕緣子基於伯明罕大學的漢娜·普萊斯（Hannah Price）繪製的模型，並由南洋理工大學的Yidong Chong領導的團隊通過實驗實現。為了製造絕緣體，該團隊依靠一種稱為超材料的人工構造。構建這種超材料的過程包括用電容器和電感器製造數十個電振蕩器，然後將它們安排在彼此堆疊的幾塊電路板上的網格中。Chong說，每個振蕩器的行為都像人造原子，整個系統的作用就像是晶體，電流可以流過該晶體。
兩組四個點的正方形網格。 左組在網格邊緣上有暗紅色的點，表示高電流。 正確的位置在整個過程中具有較溫和的黃色到橙色的點，表示低電流（絕緣體狀態）
波在三維超材料中流動想法是連接振蕩器，以便它們實際上在四個維度上都具有電氣性能，即使它們實際上位於我們的3D世界中。正如Chong解釋的那樣，如果每個振蕩器僅連結到其最近的鄰居，這將是不可能的。但是，可以通過將這些對象中的每個對象與行中的上下兩個對象連結起來，將額外的維添加到其他一維振蕩器行中。然後可以推斷這個想法，以便在3D空間中（到（六個）最近鄰居的連接）之外的連接產生的電路的行為就好像它位於4D空間中一樣。
測試預測
為了測試他們的系統，Chong及其同事通過電路發送了電壓脈衝。他們發現，當按照Price模型對電路進行布線時，這些脈衝會以波狀傳播通過連接，從而形成材料的3D「表面」，而不是在4D塊內。他們還觀察到，通過調整電路組件，它們可以使波從表面消失，從而將材料變成簡單的絕緣體。
Chong認為，科學家此前曾認為不可能通過實驗實現這種4D系統。他說：「據信這只是理論研究的領域。」 「這裡的竅門是我們不是在使用一種實際的材料，而是一種合成的材料。」
波蘭Jagiellonian大學的Krzysztof Sacha並未參與這項研究，他認為這項工作對於拓撲絕緣子的可能應用是個好兆頭，因為即使這些組件的電容和電感值不精確，其表面狀態仍保持完整。他說：「從未來的應用來看，量子系統是最重要的候選者之一，這種拓撲系統對幹擾的魯棒性非常有希望。」
普萊斯說，這項特殊的研究不會應用於量子計算機，因為所使用的超材料是純粹的經典系統，無法支持糾纏。但是她認為，這項工作為其他更高維度的系統鋪平了道路。她說：「有人建議在5D和6D中可能會發生一些非常酷的事情。」
英國聖安德魯斯大學的Chris Hooley也認為該特殊系統不太可能立即應用。但他同意，從長遠來看，技術可能會受益。他指出：「受保護的表面態可能用於量子計算的一般想法已經存在了一段時間。」 「而且這種系統為我們提供了一些新的受保護表面狀態，所以一個人永遠都不知道！」