拓扑绝缘体 - 声学拓扑绝缘体
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如何理解拓扑绝缘体的边界态?
中国科学家基于铁基高温超导材料研究发现的新型一维拓扑边界态，有望为人类叩开高能量子计算机的大门。
近日，国际著名学术杂志《自然—材料》（Nature Materials）刊登了铁基高温超导材料研究领域的一项重要进展——新型一维拓扑边界态的发现。拓扑超导体最激动人心的应用就是高能量子计算机，它能在计算中发现错误，一旦出错就会在信息处理过程中产生抵抗。
上述研究成果由中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室的王征飞教授和美国犹他大学刘锋教授、清华大学薛其坤院士及马旭村研究员、中科院物理所周兴江研究员合作获得。
超导和拓扑是固体材料领域最有趣的两个量子现象，二者纠缠形成的拓扑超导形态，在量子现象领域更是引人注目，因此，超导材料与拓扑材料也是近年来凝聚态物理研究的两大热点。拓扑超导态是物质的一种新状态，有别于传统的超导体，拓扑超导材料兼具超导材料和拓扑材料的特性，内部是超导态，而表面或边界则存在厚度约为1纳米的受拓扑保护的无能隙金属态。如果把一个拓扑超导体一分为二，其新表面又会自然出现一层厚度约1纳米的受拓扑保护的金属态。
量子计算最理想的粒子——马约拉纳费米子与普通计算机通过二进制方式处理数据不同，量子计算机是一种基于量子物理机理处理数据的计算机。它采用次原子粒子“量子”来存储和处理信息。量子计算机的速度快到什么程度？学界有比喻称，如果现在的传统二进制计算机的速度是自行车，量子计算机的速度就好比飞机。为何时至今日，人类还未能造成一台真正意义上的量子计算机？这是由于量子计算的粒子的“量子态”并不稳定，电磁干扰或物理干扰可以轻松打乱它们本应进行的计算。那么，就需要一种不受干扰的粒子。
最理想的粒子，是马约拉纳费米子。理论物理学家曾预言，拓扑超导材料在磁场下的涡旋中心会产生马约拉纳费米子。由于马约拉纳费米子的反粒子就是它本身，其状态非常稳定，不易被传统的电磁或物理干扰破坏，可以被用于定义量子计算中的量子比特。
首个三维光学拓扑绝缘体研制成功
人民网北京1月10日电(李依环)日前，浙江大学信息与电子工程学院教授陈红胜课题组成功研制出首个三维光学拓扑绝缘体，将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，有望大幅度提高光子在波导中的传输效率。研究成果今日于《自然》杂志正式发表。
这项研究由浙江大学陈红胜教授课题组和新加坡南洋理工大学教授Baile Zhang、Yidong Chong课题组合作共同完成，浙江大学信息与电子工程学院博士杨怡豪为论文第一作者，陈红胜和教授Baile Zhang、Zhen Gao为共同通讯作者，浙江大学为第一完成单位。
此前，三维光学拓扑绝缘体的研究在该领域仍是空白，光学拓扑绝缘体的实验研究仅局限于二维空间。据悉，在二维空间下，表面波传播时只有一维单向的拓扑边界态，而表面波在三维光学拓扑绝缘体中传播时，其拓扑表面态表现为二维无质量狄拉克费米子。“实验实现三维光学拓扑绝缘体十分重要，将推动该新兴领域的发展。”《自然》匿名评审专家在评价该研究时说。
光是生活中常见的电磁波，不仅能够在空中传播，也可在引导电磁波的波导器件中传播，或在两层介质交界面处沿着界面传播，即表面波。电磁波在这些波导或者介质交界面传播时，如遇到缺陷、杂质、波导拐弯等，会产生不可避免的散射，从而造成能量损耗，这将极大地降低波导的传输效率。
为了解决这一难题，在研究过程中，杨怡豪博士等巧妙地设计提出了一种由多个开口谐振器构成的电磁单元结构，该电磁单元结构具有很强的电磁双各向异性特性，这是实现宽频带三维光学拓扑绝缘体并使实验最终得以成功验证的关键。
课题组负责人介绍，在最终确定三维光学拓扑绝缘体前，团队也根据光子的特性搭建了电磁波三维扫场平台，进行实验验证。通过对三维光学拓扑绝缘体内部及表面电磁场分布成像，提取电磁波模式的色散特征，该研究团队在实验中成功地观测到了该材料的三维能隙，以及具有二维狄拉克锥形式的表面态——这些正是三维光学拓扑绝缘体的关键特征。
此外，由于表面光子受到拓扑保护，该三维光学拓扑绝缘体可以用来构建光子“高速公路”，让光子在传输过程中，不被杂质、缺陷或者拐角影响，或者说，各类缺陷“隐身”了。为了对上述理论进行验证，该研究团队通过对三维曲面上表面态的成像，实验验证了表面波在界面传播时能够无障碍地绕过Z型拐角。这一现象表明，对表面波来说，这些拐角就像被“隐形”不可见一样，而能够绕过拐角实现高效地传播正是受益于三维光学拓扑绝缘体的拓扑保护特性。
据了解，这项研究实现的三维光学拓扑绝缘体，或可适用于三维拓扑光学集成电路、拓扑波导、光学延迟线、拓扑激光器以及其他表面波电磁调控器件中。由于将三维拓扑绝缘体从费米子体系扩展到了玻色子体系，该研究有望启发其它波色子系统(如声子及冷原子等)中三维拓扑绝缘体地实验实现，对拓展三维拓扑态体系具有重要的意义。
有关负责人介绍，这项工作的共同作者还包括浙江大学博士生张莉、贺梦佳，新加坡南洋理工大学Ranjan Singh助理教授以及博士生Haoran Xue、Zhaoju Yang，他们也都在此工作中作出了重要贡献。该工作受到国家自然科学基金委杰出青年基金项目、国家青年拔尖人才计划等项目资助。
拓扑来自绝缘体线性磁电阻现象有哪些
拓扑绝缘体线性磁电阻现象如图2所示，在很大温度范围内，即使外场加到14T，仍显设日井位宪阿建示不饱和趋势。
通过研究不同致密度的薄膜材料，发现在很大迁移率范围内，线性磁360问答电阻和材料迁移率间存在普遍关系，即同一材料中，磁电阻和迁移率都随雷温度增加而减小（图3左）。而不同致密度薄膜材料中，磁电阻和迁移率成正你常夜新小会调米爱需比关系，而且磁电阻越小，迁移率也越小（图3右）。
这些结果说明迁移率的涨落导致了典型线性磁电阻，这与Parish和LITtlewood提出的理论完全吻合。有关Bi2Te3薄膜的研究结果提供了明确证据，证实静更继笑材且绝材料物理上或结构上不均匀性是线性磁电阻的来源，并且为控制拓扑绝缘体材料磁电阻提供新的方法。相关研究结果发表在Nano Letter 14 (2014) 6510。
拓扑绝缘体：按照导电性质的不同，材料可分为“导体”和“绝缘体”两大类；而更冲进一步，根据电子态投倒穿余逐能风印又的拓扑性质的不同，“绝缘体”和“导体”还可以进行更细致的划分。衣他食减拓扑绝缘体就是根据这样的新标准而划分的区别于其他普通绝缘体的一类绝缘体。演土食英兵杂步木著因而，拓扑绝缘体复非背资病烈宽极宜存想的体内与人们通常认识的绝缘体一样，是绝缘的，但是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态，这是它有别于普通绝缘体的最独特的性质。这样的导电边缘态在保证一定对称性（比如时间反演对称性）的前提下是稳定存在的，而且不同自旋的导电电子的运动方向是相支深米打府声他称许品酒反的，所以信息的传递可以通过电子的自旋，而不只像传统材料通过电荷来传递。
磁电阻效应，全称磁致电阻变化效应，对通电的金属或半导体施加磁场作用时会引起电土阻值的变化。磁电阻效应于1851年首先发现磁电阻效应；他先用铁片做实验，发现：当电流的方向和磁场的方向相同时，电阻增大；而电流方向与磁场方向成90度时，则减小。最近研究发现，多层器件出把局岁现巨磁电阻，庞大（Coloss识再朝则al)磁电阻和隧道(Tunnel)磁电阻材料。在大多数金属中，电阻率的变化值为正，而过渡金属和类金属合金及饱和磁体的电阻率变化值为负。套孙倒响抗超境亚磁敏电阻元件主要用来构造位移传感器、转速传感器、位置传感器和速度传感器等。
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