Crystalline pattern

快速和脆弱的:两个新的研究解释了未来材料的怪电子流

在二月。 13年,2020年下午2时43分

电子可以不被称为拓扑绝缘体,材料表面电阻除了旅行时,他们没有。在发表在科学杂志上两个新的研究中,研究人员和他们的合作者普林斯顿解释如何将这些“脆弱”的拓扑形式的热导性能很差的状态,以及如何电子导电性可以恢复。

电子竞赛沿着某些特殊晶体材料的表面,但有时他们没有。从太阳2娱乐平台的研究人员和他们的合作者两项新研究解释令人惊讶的行为的根源并规划路线,通过快速的这些显着的结晶,珍视他们的未来技术,包括量子计算机的潜在用途恢复电子的流动。

发表在二月的研究。 14在科学杂志上;阅读出版 第一项研究第二项研究

在过去的15年中,一类称为拓扑绝缘体材料占据了主导地位为未来的材料进行搜索。这些晶体有一个罕见的特性:其内部是绝缘体 - 其中电子不能流 - 但它们的表面是理想导体,电子流无阻力在哪里。这种材料能技术,使更快,更比今天的设备进行节能。

这是直到发现两年前的照片其实有些拓扑材料不能传导电流其表面,这赢得了名的现象在“脆弱的拓扑结构。”

“脆弱的拓扑结构是一个奇怪的野兽:它现在预测数以百计的材料,存在”赛义德湾安德烈bernevig,物理学在普林斯顿上两篇论文的教授和共同作者。 “这是因为如果通常的原则,我们一直为依托,以实验确定拓扑状态崩溃。”

要获得关于如何脆弱国家形成一个手柄,研究人员转向了两个资源:数学公式和3D打印机。路易斯·ELCORO在巴斯克地区,bernevig大学和太阳2娱乐平台博士后研究员知大歌构建的数学理论来解释什么是材料内部发生。

接下来,塞巴斯蒂安HUBER和他的团队在苏黎世联邦理工学院,协同bernevig和他的团队在普林斯顿,以及在技术中国南方大学魏茨曼科学研究所以色列,和武汉大学的科学家,通过建立一个生活测试的理论尺度的拓扑材料选自3D印刷塑料。

他们的名字从拓扑数学解释如何形状现场取材:如甜甜圈和咖啡的杯子是相关的(他们有一个孔两者)。相同的原理可以解释电子是如何从原子跳跃到原子的大致表面上 20000 鉴定材料或拓扑所以至今。拓扑材料的理论基础赚了 2016年诺贝尔物理学奖 对于f。邓肯霍尔丹,物理学的普林斯顿谢尔曼飞兆半导体大学教授。

是什么让这些晶体很有趣科学家是自相矛盾他们的电子特性。晶体的内部没有能力传导电流 - 它是绝缘体。但晶切成两半,与电子将在整个新发现的表面脱脂没有任何抵抗,通过其拓扑性质的保护。

其原因在于在表面上的电子之间的连接,并在内部的那些,或本体。电子不能被认为是单一粒子但波传播的是像从卵石沙波在池塘里扔水。在该量子力学观点,每个电子的位置由扩展的波这就是所谓的量子波函数说明。在拓扑材料,在本体扩散到晶体,或表面边界的边缘处的电子的量子波函数。 ESTA对应的体积和边界导致电子行进的无阻力跨越晶体的表面上的能力之间。

“集中边界通信”的ESTA原则解释拓扑表面传导两岁的广泛接受,直到前,当科学论文屈指可数显露脆弱的拓扑结构的存在。不同于通常的拓扑状态,脆弱国家没有拓扑表面状态进行。

“通常的大宗向下突破边界对应原理,” bernevig说。但究竟如何仍是一个谜。

在第一个两篇科学论文,bernevig,歌曲和ELCORO提供了一个新的大容量边界对应的理论解释解释脆弱的拓扑结构。协作者显示电子波函数也就是说的脆弱拓扑仅延伸到表面的特定的条件下,研究人员调用哪个扭曲批量边界对应。

该小组还发现,该扭曲批量边界对应,可以使得传导表面状态再现调谐。 “基于波函数的形状,我们设计了一套机制,以介绍的方式,这样的边界必然变得完全导通状态的边界上的干扰,说:”路易斯ELCORO,在巴斯克地区的大学教授。

寻找新的总体原则是什么,总是尔虞我诈的物理学家,但这种新的批量边界对应的可能还有一定的实用价值,根据研究人员。 “上的扭曲脆弱拓扑的批量边界对应提供一个过程来检查的表面电势状态,这可能是在机械,光学和电子应用中有用,”宋说。

但考虑到一个人必须要干扰在原子尺度上的无穷小的边界理论著作证明几乎是不可能。所以转向合作者建立与一个真人大小的模型,探讨他们的想法的团队。

在第二科学论文,塞巴斯蒂安HUBER和他的团队在苏黎世内置大规模模拟拓扑晶体出使用三维塑料的印刷的部分。他们用声波代表的电子波函数。它们插入的障碍以阻止声波的路径,其类似于切割晶体的传导表面露出。通过这种方式,研究人员模仿扭曲的边界条件,然后通过操纵表明它,证明了他们可以进行声波在表面自由行。

“这是一个非常左外野概念和实现,”贝尔说。 “我们现在可以证明,几乎所有的拓扑指出,已经实现我们的人工系统是脆弱的,稳定不是因为它是在过去认为,这项工作提供了确认,但更多的,它引入了一个新的首要原则。”

The work by the Princeton team was supported by the U.S. Department of Energy (grant DE-SC0016239), the National Science Foundation (EAGER grant DMR 1643312 and MRSEC grant DMR-142051), a Simons Investigator grant (404513), the Office of Naval Research (grant N00014-14-1-0330), the David and Lucile Packard Foundation, the Eric & Wendy Schmidt Transformative Technology Fund, and a Guggenheim Fellowship from the John Simon Guggenheim Memorial Foundation, and Princeton's Eric and Wendy Schmidt Transformative Technology Fund. Luis Elcoro is funded by the Government of the Basque Country, and Sebastian Huber acknowledges funding from the Swiss National Science Foundation, the Swiss National Center of Competence in 研究 QSIT, 和 European 研究理事会(赠款771503)。

研究, ”脆弱拓扑的扭曲散装边界对应“郅达曲,路易斯ELCORO,B。安德烈bernevig,发表在科学杂志上的2月14日,2020年DOI 10.1126 /science.aaz7650

研究, ”在声学超材料拓扑结构的脆弱性实验表征“仙子由瓦莱里奥,知大歌,马克·塞拉 - 加西亚,帕斯卡Engeler,雷切尔奎罗斯,曹雪芹黄,尾音邓争优刘,B。安德烈bernevig,和塞巴斯蒂安d。胡贝尔,被刊登在科学杂志上月14年,2020年DOI: 10.1126 /science.aaz7654