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有研究人员发现了一种被称为拓扑绝缘体的新型材料，并获得了2016年诺贝尔物理学奖。自从面世以来，这种材料在电子领域应用的可行性一直吸引着研究人员，例如超低能晶体管、恶性肿瘤筛查激光器和5G以上的自由空间通信。“拓扑绝缘体”这一与众不同的名称来源于其内部绝缘和外部导电的特性：在拓扑绝缘体的外边界，电子或（在某些情况下的）光子可以轻易地在拐角和有瑕疵处流动，且几乎没有损耗。令人惊讶的是，拓扑绝缘体似乎只是独特的光电半金属、超导体和其他物质的初步形式。目前这种化合物奇特，甚至是怪异的特性令人疑惑不已，但研究人员已经发现，这些材料具有的特殊属性可以发展成为未来的技术。拓扑学是数学的一个分支，探索在改变形状后还能保持不变的一些性质。例如，一个甜甜圈形状的物体能够变成马克杯的形状，甜甜圈中间的洞成为马克杯杯柄中的洞。只要物体没有变成一种根本不同的形状，就不会失去这个洞。利用拓扑学的观点，研究人员在2007年开发出了第一个电子拓扑绝缘体。沿着这些材料的边缘或表面快速移动的电子是“受拓扑保护的”，这意味着，在这种模式下，电子流动在遇到的任何干扰时都会保持不变。拓扑材料未来会如何进入电子和光子领域？以下是一些可能的途径。澳大利亚的科学家表示，以电子拓扑绝缘体为基础的晶体管有助于帮助计算机节省大量能量。墨尔本莫纳什大学的物理学家迈克尔•福勒（Michael Fuhrer）说：“我们希望拓扑晶体管能够替代传统半导体晶体管，同样大小的拓扑晶体管使用的能量少得多。”要用1和0来表示数据，电子设备需要在通电和断电状态之间切换晶体管，这种切换需要最低限度的电压。研究人员探索用电子拓扑绝缘体来替代用于制造晶体管的传统半导体。在正常状态下，这些材料的导电边缘能够作为“开启”状态的晶体管。当受电场作用时，它们会停止电子拓扑绝缘体的特性，不再具有导电边缘，从而作为“关闭”状态的晶体管。科学家计算得出，如果使用恰当的拓扑材料，拓扑晶体管所需的电压和能量将分别是标准晶体管一半和1/4。“目前，计算所消耗的电力占全世界电力的8%到10%，而且每10年增加1倍。”福勒说,“所以我们需要新的技术来提高计算机芯片的效率。拓扑晶体管可以实现这一切。”铋烯，一层排列在蜂窝状晶格内的铋原子，就是一种拓扑晶体管的可能候选材料。研究人员刚刚开始在实验室内研究铋烯，还没有用它制造晶体管。其他材料目前也尚未合成。“这项工作耗时较长，我们不能期望明年，甚至在十年内这种预想的晶体管会出现在苹果手机中。”福勒说。━━━━
2009年，科学家开发出了光子拓扑绝缘体，在这种绝缘体中，光受到同样的拓扑保护。这种材料的结构能够引导特定波长的光沿着材料外沿传播，且不会产生损耗或散射，即使是在拐角或有缺陷的部位依然如此。能够进行实际应用的首个拓扑绝缘体可能会是光子拓扑绝缘体而非电子拓扑绝缘体。带有拓扑保护的激光器是一种可能的应用场景，在对抗缺陷方面，它可能会比传统设备表现出显著更高的效率和稳健性。新加坡南洋理工大学的电气和光学工程师王歧捷说，这会大大提高设备生产的可用数量和一致性。科学家们用砷化镓和砷化铝镓涂层制成一种晶圆。当带电时，晶圆会发出明亮的光。研究人员在晶圆上钻了一组孔，每个孔都像一个边角被修剪的等边三角形。在这个晶格周围，研究人员又钻了一些形状相同但朝向相反方向的孔。晶圆发出的光会沿着不同组孔的边界传播，从附近的通道流出形成激光。这种传播证明可很好地抵抗缺陷，包括科学家钻的多余的孔。“我们可以制造光子结构，让光传播不产生散射损耗或反射。”王歧捷说。这种激光在太兆赫频率下工作，这对肿瘤筛查和机场安检扫描很有用。王歧捷和他的同事目前正在研究利用砷化镓铟和砷化铝铟夹层制作拓扑激光，其发出的激光在中红外波段，可应用在空气污染检测和分析、激光雷达传感器以及5G以上的自由空间通信等多种场景。他指出，由于新冠疫情，他们的实验工作延误了。由于拓扑绝缘体的外表面有拓扑保护电子或光子，拓扑超导体被认为是一种特殊超导体，其表面上可能存在难以捉摸的理论粒子，这有可能带来量子计算的重大发展。拓扑超导体通常由超导金属结合半导体制成。这些材料之间的相互作用能产生马约拉纳费米子，长期理论推理表明，这种粒子有自己的反粒子。马约拉纳费米子可以用作量子比特，它是大多数量子计算机的核心，理论上，量子计算机瞬间执行的计算比宇宙中的原子还要多。量子比特通常较脆弱，但拓扑超导体的马约拉纳费米子可证实能够进行拓扑保护，免受干扰，科学家们认为，这种特征有助于制造出实用的量子计算机。马里兰大学帕克分校的凝聚态物质理论家张瑞兴（Ruixing Zhang，音）说：“拓扑量子比特是人们对拓扑超导感兴趣的最重要的原因。”不过，张瑞兴说，到目前为止，还没有最终证实拓扑超导体和马约拉纳费米子的存在。2018年一项微软支持的研究声称发现了两者存在的有力证据，但2021年该研究最终被撤回。尽管如此，研究人员仍对确认拓扑超导体的存在抱有希望。张瑞兴和他的同事建议研究铁基超导体薄膜，其他人建议研究石墨烯等材料。“我很乐观，我认为未来几年里我们会实现马约拉纳物理学。”张瑞兴说。拓扑半金属的导电或导热能力等特性介于金属和绝缘体之间。世界各地的科学家越来越多地发现，这些材料可以拥有非凡的特性，例如几乎无耗散电流，以及比其他材料都更强的光电转化能力。这意味着，这种材料存在广泛的潜在应用场景，例如超低功率电子产品和废热发电。世界上的拓扑半金属种类令人眼花缭乱，如狄拉克半金属、韦尔半金属、多重费米子半金属等，每一种拓扑都不同。传统的半金属，经过温度变化或化学成分的轻微调整，可以轻易地转换为金属或绝缘体，而拓扑半金属，尽管温度或成分变化，都会顽固地保持其半金属性质。东京工业大学的物理学家内田正树（Masaki Uchida）说，与石墨烯一样，电流可以在拓扑半金属中流动，能量耗散几乎为零，因此它有可能用于超低功率电子产品。新加坡科技设计大学的物理学家叶信安（Yee Sin Ang，音）说，石墨烯的原子厚度有限，因此其设计灵活性较差，与此同时，研究人员可以在理论上改变拓扑半金属的厚度，从而调整其特性。此外，拓扑半金属还有意想不到的特性，例如，波士顿学院的物理学家肯•伯奇（Ken Burch）和他的同事发现，砷化钽本身从光产生电流比其他材料多10倍以上。这种效应发生在中红外光，这表明，砷化钽可用于化学和热成像。伯奇说：“我们可以将高温物体废热能量发出的红外辐射转化为有用的电能。”几十年来，科学家们可能忽视了拓扑半金属许多令人激动的特征。麻省理工学院的理论物理学家本杰明•维德（Benjamin Wieder）和他的同事最近在一硅化钴和类似材料中发现了这种特性，而研究人员已经研究这些材料近70年。维德说：“未来拓扑材料的发现和应用也许不是新材料的设计，而是重新发现某些材料被忽视的特性。下一个非常理想的固态材料可能藏在70年前的某篇旧论文中，如果你知道这篇论文在哪里。”－ The End －
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