氢有助于实现拓扑绝缘体

LUKAS ZHAO

这一技巧可以为实用的量子计算和无耗散电子学开辟一条道路。

未来的微芯片所需能量远低于现在的设备，可能依赖于称为拓扑绝缘体的奇特材料，在这种材料中，电流只流过表面和边缘，几乎没有能量耗散。然而，为实际应用开发此类材料可能会很棘手。现在，一项新的研究表明，仅仅将氢加入拓扑绝缘体中，就可以控制它们的电子特性，从而使它们变得有用。

拓扑学是数学的一个分支，它研究形状的哪些特征可以经受变形。近几十年来，材料科学作为拓扑学的一个引人注目的应用出现了。科学家发现，拓扑模型的见解有助于理解和预测某些材料的异常性质。这些包括超越麦克斯韦方程解释的电磁效应，以及可能产生新型电子和光学器件的量子粒子。

利用拓扑学的见解，科学家们还在2007年开发了第一个电子拓扑绝缘体。沿着这些材料的边缘或表面流动的电流是“拓扑保护”的，这意味着电子流动的模式在遇到任何干扰时都将保持不变，这一发现帮助获得了2016年的诺贝尔物理学奖。

拓扑绝缘体可能导致超低能晶体管等进步。一类主要的拓扑绝缘体被称为硫族化合物，其中含有硒和碲等硫族元素。

为了确保拓扑绝缘体在其表面表现出拓扑保护，研究人员需要确保这些材料的内部确实是绝缘的，不导电的。然而，纽约市立学院物理学家、研究高级作者Lia Krusin-Elbaum表示，自然产生的缺陷“会给大部分材料带来电荷，并导致不必要的传导”。

控制拓扑绝缘体内部传导的一种方法是使其非常薄。然而，这种方法有一定的局限性，在一定厚度以下，这些材料表面的拓扑保护状态消失。另一种策略涉及将这些材料与各种元素结合，但这可以降低这些材料的工作温度。

现在Krusin-Elbaum和她的同事们开发了一种非常简单、有效的方法来调节这些材料内部的导电性，即插入或提取氢。科学家们在近日的《自然通讯》杂志上详细介绍了他们的发现。

在实验中，科学家们使用在水中稀释的盐酸帮助将氢编织成硫属拓扑绝缘体。氢可以与碲或硒原子结合，提供电子来调节材料的电子特性。这种方法是完全可逆的，只需少量加热即可除去氢气。

这种氢调谐策略可以放宽硫系拓扑绝缘体的厚度限制，并产生在室温下稳定的材料。Krusin-Elbaum说：“我们对氢化作为一种调节技术的效果和效率感到非常惊讶。”

Krusin-Elbaum认为，氢调节可能有助于产生新型拓扑超导体，其中许多超导体可以在其表面产生神秘的粒子，称为马约拉纳费米子（MajoranaFermions），这是一种长期理论化的粒子，是它们自己的反粒子。马约拉纳费米子可以用作量子位元或量子比特，量子比特是大多数量子计算机的核心，理论上，量子计算机可以在瞬间执行比宇宙中原子更多的计算。

量子位通常是脆弱的，但拓扑超导体的马约拉纳费米子可以证明在拓扑上防止干扰。Krusin Elbaum说，这一特性可能有助于实现“无错误的量子计算”。