拓?fù)浣^緣體是一種新的物質(zhì)量子態(tài)，具有相當(dāng)大的理論研究價(jià)值。
　　時(shí)，作為一種新材料，可用于自旋電子器件的研究和拓?fù)淞孔佑?jì)算，具有良好的實(shí)踐意義。文首先根據(jù)拓?fù)涓綦x狀態(tài)，拓?fù)浣^緣子的新發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用前景，簡要介紹了拓?fù)浣^緣子的理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展。聚態(tài)的物理系統(tǒng)通常由大量相互作用的粒子組成，人們的關(guān)注點(diǎn)通常與系統(tǒng)的集體秩序有關(guān)。

　　據(jù)Landau的相變理論，系統(tǒng)的每個狀態(tài)都對應(yīng)于局部階躍參數(shù)，并且材料的狀態(tài)變化是通過對稱性的自發(fā)破裂而獲得的。1980年代量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使公眾意識到，朗道理論中的局部階躍參數(shù)無法描述霍爾的狀態(tài)，必須引入新的量子階。順序與霍爾狀態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，稱為拓?fù)漤樞颉?br>　　過去的十年中，在一些新材料中發(fā)現(xiàn)拓?fù)溆行蚴悄蹜B(tài)物理領(lǐng)域的重大進(jìn)步?；魻柫孔酉到y(tǒng)不同，這些拓?fù)漤樞虿恍枰獠看艌?，而是通過固有的自旋軌道耦合或?qū)ΨQ獲得的。種材料的能帶結(jié)構(gòu)是絕緣體，但是拓?fù)漤樞蛟诒砻嫔辖o出了理想的金屬狀態(tài)，稱為拓?fù)浣^緣體。能帶理論中，原子實(shí)原子之間的庫侖排斥形成一個周期性的勢場，晶格中外層電子的運(yùn)動遵循薛定er方程。合布洛赫定理，可以得到電子的能譜被分成一系列能帶，并且在能帶之間存在一定的禁帶。電子的費(fèi)米表面恰好位于禁帶之間時(shí)，由電子運(yùn)動產(chǎn)生的電流將由外部電場驅(qū)動。是能帶理論中的絕緣體，拓?fù)浣^緣體是一種新型的絕緣體。
　　一個拓?fù)涓綦x狀態(tài)是整個量子霍爾狀態(tài)。垂直磁場中，二維電子氣的能譜被分解為朗道的高度簡并能級。強(qiáng)場和低溫條件下，能級間距遠(yuǎn)大于熱波動間距。驗(yàn)表明，與經(jīng)典的霍爾效應(yīng)相反，橫向電導(dǎo)率不會隨磁場的增加而線性增加。有趣的是這些霍爾平臺與量化電導(dǎo)相匹配，因此它們被稱為整個量子霍爾效應(yīng)。

　　
　　系統(tǒng)處于霍爾狀態(tài)時(shí)，體內(nèi)的電子不導(dǎo)電，這相當(dāng)于絕緣體，電流實(shí)際上來自邊緣電子。量電導(dǎo)表明雜質(zhì)對邊緣電子沒有影響，這是一維手性費(fèi)米液體，也稱為無能量的手性邊緣態(tài)。到2005年，測得的量子電導(dǎo)精確到10-9左右，這表明它是一個很好的量子數(shù)。

　　際上，在1982年，Thouless和他的合作者證明了Hall州的拓?fù)涮匦钥梢杂肅hen的第一類Chen的數(shù)字來描述。1988年，Haldane提出的用于在沒有Landau能級的情況下實(shí)現(xiàn)整個量子霍爾效應(yīng)的理論模型證明，只要量子點(diǎn)的對稱性，整個量子霍爾態(tài)的出現(xiàn)并不一定需要外部磁場。統(tǒng)的時(shí)間反轉(zhuǎn)被破壞。
　　子霍爾狀態(tài)破壞了時(shí)間反演對稱性，因此自然要問以下問題：拓?fù)涞慕^緣狀態(tài)是否存在時(shí)間反演不變的情況？以前沒有考慮電子的自旋，因?yàn)樽孕龍鐾ǔ１粡?qiáng)磁場的塞曼效應(yīng)極化。設(shè)可以實(shí)現(xiàn)磁場：使上升和下降的電子分別受到垂直磁場的上升和下降，并且填充數(shù)量相同，則上升和下降的電子分別形成一個完整的霍爾態(tài)。系統(tǒng)顯然是時(shí)間不變的。負(fù)載的角度來看，正面電流方向相反，大小相等，并且凈效應(yīng)不是正面電流。果我們看一下自旋，電纜則正好有一個凈自旋電流。
　　是最簡單的霍爾旋轉(zhuǎn)效果。這種情況下，邊緣電子不再是手持的費(fèi)米液體，而是所謂的螺旋費(fèi)米液體。2005年，Kane和Mele等人。究了自旋軌道耦合，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以產(chǎn)生自旋量子霍爾效應(yīng)。于具有時(shí)間反轉(zhuǎn)對稱性，邊緣電子不會被雜質(zhì)分散，而是具有連續(xù)的自旋。們預(yù)測使用二維材料來實(shí)現(xiàn)這種拓?fù)浣^緣體，其拓?fù)鋽?shù)為Z2拓?fù)洳蛔冃?。后，張壽生和他的合作者預(yù)測了一種新的二維拓?fù)浣^緣體，即汞-鎘量子阱，并預(yù)測了量化的邊緣電導(dǎo)的存在，并于2007年進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察。
　　快，人們開始尋找絕緣體。維拓?fù)?，發(fā)現(xiàn)它們可以分為兩類：一類是“弱拓?fù)浣^緣體”，其表面布里淵區(qū)包含偶數(shù)個狄拉克點(diǎn)，而一個強(qiáng)大的無序可以定位電子的電子。面。次，表面的布里淵區(qū)包含奇數(shù)個狄拉克點(diǎn)的“強(qiáng)拓?fù)浣^緣體”，表面電子的位置對非磁性紊亂完全不敏感，并構(gòu)成了理想的金屬表面。實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的三維拓?fù)浣^緣體是鉍和銻的合金。具有5個Dirac點(diǎn)，是強(qiáng)大的拓?fù)浣^緣體的一部分。子沒有被散射，這使得可以驗(yàn)證表面電子態(tài)是理想的金屬態(tài)。
　　后，研究人員發(fā)現(xiàn)第二代拓?fù)浣^緣具有兩個優(yōu)點(diǎn)：首先，其總能隙為0.3電子伏特，等于300開爾文；它是“室溫下的拓?fù)涓綦x器”；其次，布里淵表面的表面結(jié)構(gòu)甚至更簡單，狄拉克也只有一點(diǎn)。撲絕緣子的理論和實(shí)驗(yàn)研究一直在繼續(xù)進(jìn)行：一方面，尋找新的拓?fù)浣^緣材料，另一方面，電纜利用當(dāng)前的拓?fù)浣^緣子進(jìn)行研究。要的進(jìn)展包括：控制拓?fù)浣^緣體的厚度，觀察金屬表面上電子態(tài)的Aharonov-Bohm效應(yīng)以及直接測量表面電子傳輸特性。體而言，拓?fù)浣^緣子的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，在實(shí)際應(yīng)用之前還需要做更多的工作。撲絕緣體具有三個主要特征：其質(zhì)量是絕緣體，具有手性邊緣狀態(tài)，沒有能隙受拓?fù)浔Ｗo(hù)，要破壞邊緣狀態(tài)，它們必須經(jīng)歷量子相變，拓?fù)洳蛔冃杂糜诿枋銎鋵傩?。于這些特性，拓?fù)浣^緣子具有獨(dú)特的理論和科學(xué)意義。撲絕緣子的一個新穎特征是它們的整體電子狀態(tài)是絕緣的，但是在表面有自旋相關(guān)的導(dǎo)電通道，這意味著拓?fù)浣^緣子在自旋電子學(xué)中具有潛在的室溫應(yīng)用。準(zhǔn)確地說，拓?fù)浣^緣體表面的電子流以非零自旋密度流的形式自發(fā)地出現(xiàn)。磁磁體和拓?fù)浣^緣體與異質(zhì)結(jié)的耦合可以控制鐵磁表面電流，從而允許開發(fā)新的自旋測力裝置，從而為開發(fā)磁存儲應(yīng)用做好準(zhǔn)備。于拓?fù)浣^緣體的表面電子是相對論性費(fèi)米子，因此如果將二維表面添加到垂直磁場或連接到磁性材料以進(jìn)行量子霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，則會出現(xiàn)新的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)?？梢匝芯坑腥さ膯栴}，例如分流負(fù)載和磁單極子。

　　
　　果連接了拓?fù)浣^緣體和超導(dǎo)體，則由于鄰近效應(yīng)，金屬表面也將變得超導(dǎo)。（與普通的超導(dǎo)體不同，存在一個能滿足非阿貝拉激子的零能表面狀態(tài)，例如馬拉霍·納菲和米子。阿貝拉粒子的拓?fù)涮匦允艿綄ΨQ性的保護(hù)，量子態(tài)不是十進(jìn)制的由于較小的擾動，使得拓?fù)浣^緣子可用于量子計(jì)算。

　　撲絕緣子作為一種新的物質(zhì)量子態(tài)，在理論研究中具有重要的應(yīng)用價(jià)值?？梢杂糜谛滦妥孕娮悠骷难芯亢烷_發(fā)，也是拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的一種新方法，具有良好的實(shí)用應(yīng)用價(jià)值。
　　本文轉(zhuǎn)載自
　　電纜 http://jslianhai.cn