一种新的量子材料--拓扑绝缘体

按照导电性质的不同，材料可分为“金属”和“绝缘体”两大类；而更进一步，根据电子态的拓扑性质的不同，“绝缘体”和“金属”还可以进行更细致的划分。拓扑绝缘体就是根据这样的新标准而划分的区别于其他普通绝缘体的一类绝缘体。因而，拓扑绝缘体的体内与人们通常认识的绝缘体一样，是绝缘的，但是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态，这是它有别于普通绝缘体的最独特的性质。这样的导电边缘态是稳定存在的，且不同自旋的导电电子的运动方向是相反的，所以信息的传递可以通过电子的自旋，而不像传统材料通过电荷，不涉及耗散过程，通俗地说就是不会发热，这一发现让人们对制造未来新型电脑芯片等元器件充满了希望。

图：金属、绝缘体和拓扑绝缘体的关系

最早发现的拓扑绝缘体状态，可以追溯到20多年前发现的量子霍尔效应。量子霍尔效应分别获得1985年和1998年两度Nobel物理学奖，开创了凝聚态物理学的一个新纪元。但由于这种效应需要满足强磁场和低温这两个条件，不利于推广应用。直到2005年，人们才发现不需要强磁场和低温条件，仅仅依靠任何材料都具有的自旋轨道耦合效应，就可以实现类似于量子霍尔效应中的电子态，即量子自旋霍尔效应态或拓扑绝缘体态。这立刻引起了全球科学家界的重大关注。摩尔定律认为，由于技术的进步，每过18个月，集成电路上可容纳的晶体管的数目会翻一番，性能也将提高一倍。随着晶体管越小越密集，发热问题也就会越突出，因此许多人预言摩尔定律将于2015年失效。而拓扑绝缘体的发现将可能解决这个问题，从而引发未来电子技术的新一轮革命。2006年，美国斯坦福大学的科学家提出，在碲化汞量子阱体系中可能存在无需磁场而由本征材料能带结构产生的拓扑绝缘态，而这种特殊的拓扑绝缘体态将引起非常有趣的“量子自旋霍尔效应”，该效应入选科学评出的2007年十大科学突破并列第二位。

图：拓扑绝缘体的发展

在拓扑绝缘体材料研究工作中，中科院物理所在拓扑绝缘体的理论预言、材料制备、机理研究等各方面均做出突破性工作，取得系列成果，受到世界的关注。中科院物理所的系列研究成果多次发表在过国际知名杂志上，并多次得到杂志的编辑推荐，成为封面文章，为拓扑绝缘材料的发展做出了开拓性的贡献。

来源：中国科学院物理研究所