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拓扑绝缘体的边缘无损耗传导

  • 科学
  • 2020-05-27 08:33:29
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半金属钨二碲化物的原子薄层沿晶体边缘的一维窄沟道有损耗地导电。因此,材料是二阶拓扑绝缘体。巴塞尔大学的物理学家通过获得这种行为的实验证明,扩大了拓扑超导的候选材料库。这些发现已经发表在《纳米快报》杂志上。

拓扑绝缘体是一个关键的研究领域,因为它们可能在未来的电子学中用作超导体。这种材料在内部表现得像绝缘体,而其表面具有金属特性和导电性。因此,拓扑绝缘体的三维晶体在其表面导电,而内部不能流动电流。此外,由于量子力学的原因,表面的导电性几乎是无损的,电是长距离传导而不产生热量的。

除了这些材料,还有另一类称为二阶拓扑绝缘体。这些三维晶体具有导电的一维通道,仅沿某些晶体边缘运行。这种材料特别适合于量子计算的潜在应用。

理论预测

专家们认为,半金属铋具有二阶拓扑材料的某些性质。此外,研究人员还从理论上预测了另一种半金属钨二碲化物(WTe2)的原子薄层的行为将类似于二阶拓扑绝缘体换句话说,它们将在边缘无损导电,而其余的层则类似绝缘体。

由巴塞尔大学物理系和瑞士纳米科学研究所的Christian Schónenberger教授领导的研究小组现在已经分析了由1到20层组成的微小钨二硫化物晶体。为了确定材料的电特性,他们在施加磁场之前,先将超导触点连接到材料上。由于这种材料对氧化反应敏感,研究人员在一个特殊的低氧箱中工作,并在钨二硫化物上镀上另一种在空气中稳定的晶体。

特征振荡

通过分析主晶体中的电流,科学家们发现了许多缓慢衰减的振荡。”虽然均匀的电流分布会导致快速衰减的振荡,但极为导电的边缘态会产生强烈的振荡、缓慢衰减的电流,如我们所测量的电流,”该研究的第一作者、物理系的Georg H.Endress研究员Artem Kononov博士解释道对我们的结果唯一可能的解释是,很大一部分电流沿着窄边流动。”

“这些观察结果支持理论上的预测,即二硫化钨是一种高阶拓扑材料。这为拓扑超导性开辟了新的可能性,它可能在量子计算等领域有应用,”Christian Schónenberger说,他正在作为ERC项目的一部分,研究某些二维材料堆中的拓扑超导性。

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