表面“特征”可以区分奇异的拓扑绝缘体 – 物理世界

新发现的一种被称为高阶拓扑绝缘体的材料的“表面特征”可以使它们更容易识别——迄今为止，这项任务被证明具有挑战性。该技术由美国、法国、中国和爱尔兰的研究人员开发，涉及测量入射光束从材料表面反射时偏振的变化。尽管尚未经过实验证明，但该技术可能有助于开发利用这些不寻常材料特性的量子计算机和自旋电子设备。

拓扑绝缘体于 2008 年被发现，是一种沿其边缘或表面具有良好导电性的材料，同时其整体充当绝缘体。在一些拓扑绝缘体中，边缘态电流感应横向自旋电流。这些材料被称为量子自旋霍尔系统，类似于更为人所知的量子霍尔效应，其中强磁场感应电流沿着半导体边缘流动。

在拓扑绝缘体的边缘态内，电子只能沿一个方向传播。与普通导体不同，它们不会反向散射。这种非凡的行为使得拓扑绝缘体能够以接近零耗散的方式承载电流，这一特性引起了电子设备开发人员的极大兴趣，他们希望利用它来使此类设备比现在更加节能。

在过去十年左右的时间里，出现了更多具有更奇怪特性的拓扑材料（包括狄拉克半金属、韦尔半金属和轴子绝缘体）。最近，理论认为存在体积、表面和边缘绝缘但在铰链或拐角处导电的材料。这些所谓的高阶拓扑绝缘体（HOTI）中的铰链态对于自旋电子学的研究很有趣，因为其中电子传播的方向与电子的自旋相关。 HOTI 还为马约拉纳费米子带来了希望，只要能够明确证明它们的存在，它就可以在容错量子计算中得到应用。

很难与其他效果区分开来

原则上，HOTI 非常独特，因为它们仅沿着其表面的一维线（即沿着边界的边界）导电。然而，在实践中，它们很难检测到，因为其他现象（包括样品中的晶体缺陷）可以产生类似的实验特征。更复杂的是，HOTI 特性预计只会出现在具有异常高度对称性的材料中，解释说 巴里·布拉德林, 物理学家 伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校，美国，谁共同领导了这项新研究。 “这需要不切实际的完美晶体结构，到目前为止，只有少数材料，包括元素铋，已经证明了与此类材料一致的实验特征，”布拉德林说。

在他们的工作中，详述于 自然通讯Bradlyn 及其同事分析了电子在 HOTI 中传播的情况，重点关注电子的自旋（可以向上或向下）。如果对样品施加电压，这两种自旋态将在相反的两侧累积。研究人员计算出，这种自旋配置将通过一种称为磁光克尔效应的现象产生可测量的特征，其中入射光束的偏振在样品表面反射时会发生变化。

根据该团队的计算，HOTI 材料表面每个自旋态引起的极化变化将恰好是普通 2D 绝缘表面预期的一半。 Bradlyn 表示：“表面的这种‘自旋解析’响应令人兴奋，因为它首次预测了 HOTI 材料的稳健实验特征。”

Bradlyn 继续说道，该团队在这项工作中发现的 HOTI 特性可能在量子计算和自旋电子器件中非常有用，尽管研究人员需要首先在实验中看到它们。 “我们希望我们的研究表明，如果你知道如何寻找拓扑材料的内部和表面，它们仍然具有许多神秘和有利的特征，”他说。

研究人员现在正试图扩展他们的形式主义来分析受其他对称性保护的拓扑晶体绝缘体。 “我们还将研究超导系统，”布拉德林告诉 物理世界.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/