科學：基於鉍的納米帶顯示出「拓撲」運輸，這是新技術的潛力！
研究人員創造了一種稱為拓撲絕緣體的新興材料的納米帶，並使用磁場來控制其半導體特性，這是利用該技術研究奇異物理和構建新的自旋電子器件或量子計算機的一步，不同於絕緣體或導體的普通材料，拓撲絕緣體同時也是矛盾的 - 它們是內部的絕緣體，但在表面導電，普渡大學物理學和天文學與電氣和計算機副教授Yong P. Chen說。與博士生Luis A. Jauregui和其他研究人員合作的工程師，這些材料可能用於「自旋電子」設備和實用的量子計算機，遠比當今的技術強大。在新發現中，研究人員使用磁場來誘導所謂的電子「螺旋模式」，這種能力可以控制電子的自旋狀態。
該研究結果在1月18日出版的「 自然納米技術 」雜誌的一篇研究論文中有詳細描述，並表明磁場可用於誘導納米帶經歷「拓撲過渡」，在物質擁有之間切換表面上的帶隙和沒有的帶隙，矽是一種半導體，意味著它具有帶隙，是導通和斷開傳導所需的特性，是矽基數字電晶體以二進位代碼存儲和處理信息的基礎，」Chen說。「銅是一種金屬，意味著它沒有帶隙，並且始終是一個良好的導體。在這兩種情況下，帶隙的存在與否都是一個固定的特性。這些材料表面的奇怪之處在於你可以控制是否它有一個帶隙或者不僅僅是通過施加磁場，因此它是可調的，並且這種轉變在磁場中是周期性的，因此你可以通過許多「缺口」和「無間隙」狀態驅動它。
納米帶由碲化鉍製成，碲化鉍是固態冷卻技術背後的材料，例如商用熱電冰箱，碲化鉍幾十年來一直是熱電冷卻的主要材料，但在過去的幾年裡，人們發現這種材料和相關材料具有拓撲絕緣體這種驚人的附加特性，」他說，該論文由Jauregui撰寫; Michael T. Pettes，德克薩斯大學奧斯汀分校前博士後研究員，現任康乃狄克大學機械工程系助理教授; Leonid P. Rokhinson，普渡大學物理學和天文學，電氣和計算機工程教授; 李石，BF Goodrich在德克薩斯大學奧斯汀分校獲得材料工程教授; 和陳
一項重要發現是，研究人員記錄了使用納米帶來測量所謂的Aharonov-Bohm振蕩，這可能是通過在納米帶周圍的環狀路徑中沿相反方向傳導電子來實現的。納米帶的結構 - 在拓撲上與圓柱體相同的納米線 - 是發現的關鍵，因為它允許研究電子在圍繞帶狀物的圓周方向上行進。電子僅在納米線的表面上傳導，描繪出圓柱形循環，如果你讓電子圍繞一個環繞兩條路逕行進，在左右路徑上，並且它們在環的另一端會合，那麼它們將根據磁場產生的相位差而建設性地或破壞性地幹涉，從而產生無論是高電導率還是低電導率，都表明電子的量子特性表現為波，「Jauregui說，研究人員通過誘導電子的自旋螺旋模式，證明了拓撲絕緣體表面振蕩的新變化。結果是能夠從建設性幹擾轉向破壞性幹擾並返回。
這提供了非常明確的證據，證明我們正在測量自旋螺旋電子，」Jauregui說。「我們正在測量這些拓撲表面狀態。直到最近才真正看到這種效果非常令人信服，所以現在這個實驗確實提供了明確的證據，證明我們正在談論這些自旋螺旋電子在圓柱體上傳播，所以這是這種振蕩，研究結果還表明，這種振蕩是「柵極電壓」的函數，代表了另一種將導通從高電平切換到低電平的方法，每當納米帶的圓周僅包含整數個量子力學波長或」費米波長「時，就會發生這種轉換，這是由圍繞表面的電子的柵極電壓調節的，」陳說，這是研究人員首次在納米帶中發現這種與柵極相關的振蕩，並進一步將其與碲化鉍的拓撲絕緣體帶結構相關聯。
據說納米帶具有「拓撲保護」，防止表面上的電子反向散射並實現高導電性，這是金屬和常規半導體中沒有的質量。它們是由UT奧斯汀的研究人員製作的，在將納米帶冷卻至約零下273攝氏度（接近零下460華氏度）的同時進行測量，我們必須在低溫下操作，以觀察電子的量子力學性質，」陳說。
未來的研究將包括進一步研究納米線作為研究拓撲量子計算所需的奇異物理的平臺的工作。研究人員的目標是將納米線與超導體連接起來，這種超導體可以無電阻地導電，用於混合拓撲絕緣體 - 超導設備。通過進一步將拓撲絕緣體與超導體相結合，研究人員可以構建一種實用的量子計算機，該計算機不易受到迄今為止帶來挑戰的環境雜質和擾動的影響。這種技術將使用量子力學定律進行計算，使計算機在某些任務（如資料庫搜索和代碼破壞）上比傳統計算機快得多。