拓扑绝缘体,为什么内部是绝缘体不导电,只能在表面导电​?

生活 2021-04-01 06:24:21

拓扑学领域或对表面在不同维度上如何表现的研究,深刻地影响了当前对物质的理解。最主要的例子是拓扑绝缘体,它只在表面导电,而在内部完全绝缘。拓扑绝缘子的行为类似于金属,即表面上的银,但在内部,它的行为就像玻璃。这些属性是使用电子的导电性或流动来定义的,这些电子描述了它们的运动是否有高速公路或路障。拓扑绝缘体未来应用的一个主要驱动因素是自旋电子器件领域。因为这些电子一致地自旋,所有电子都在表面流动时彼此对齐。

现在,电气和计算机工程研究人员首次提出:这种相同的电子电导率会影响原子物质内部光的拓扑属性。普渡大学电气和计算机工程副教授祖宾·雅各布表示:研究表明,物质可能存在一种新的拓扑相,光只在原子材料的边缘流动,而不在原子材料内部流动。可能存在一些非常特殊的材料,具有这种独特的光子特性,这就是物质的量子自旋电相。物质这一相的另一个关键定义性质是被称为“光子斯格明子”的拓扑激发。在传统的磁铁中,电子自旋可以被认为是相互对准或反对准的微小箭头。

与之形成鲜明对比的是:斯格明子是自旋激发,显示出自旋独特的翻滚行为,对刺激非常稳定,可用于自旋电子开关和存储器。量子自旋电相在光波的能量动量空间中承载着斯格明子,可以用作这种物质相的确凿证据。这种材料可以通过“掺杂”或改变现有材料的原子结构来合成,寻找这一相的好地方是在二维材料中,如石墨烯。Jacob和博士生Todd Van Mechelen在《光学材料快报》发表了一系列四篇研究论文,提出了物质这一相的理论。

未来的研究将探索掺杂二维材料以实现量子自旋电相,并研究光波如何在材料的边缘传播。通过利用狄拉克-麦克斯韦对应,研究引入了适用于光子晶体、超材料和二维材料的光子狄拉克单极子概念。从探索真空开始,在真空中,麦克斯韦方程和狄拉克方程(Weyl方程)的倒数动量空间都具有磁单极子。最关键的区别是磁性单极电荷的本质,它对于光子来说是整数值,对于电子来说是半整数。这种固有的差异直接与自旋有关,并最终与玻色子或费米子行为相连。

研究还展示了光子狄拉克弦的存在,这是底层Berry规范势中的线奇点。虽然真空中的结果是直观预期的,但结果是将这种拓扑狄拉克-麦克斯韦对应应用于二维光子(玻色子)材料,而不是传统的电子(费米子)材料。有趣的是,在色散物质中,光子狄拉克单极的存在是由非局域量子霍尔电导率(即时空色散的回电常数)捕获。对于二维光子和电子介质,拓扑相出现在具有破缺时间反转对称性的大质量粒子下。研究揭示了新提出的物质量子自旋电相,以及光子自旋量子化在拓扑玻色相中的基本作用。

博科园|文:Emil Venere/phys

参考期刊《光学材料快报》

DOI: 10.1364/OME.9.000095

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