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拓扑材料研究热点纵览

供稿人:温一村  供稿时间:2019-12-2   关键字:拓扑材料  属性计算  石墨烯  拓扑量子器件  

拓扑材料的异常特性源于其拓扑结构。物质的某种状态具有拓扑属性,意味着它对变化具有抵抗力。拓扑材料在温度波动和物理形变时非常稳定,同时拓扑材料的电子特性也很不寻常,可以用来制作有用的元器件。近期研究热点多集中在新拓扑材料的发现,以及拓扑材料进一步向应用发展等方向。

一、拓扑属性计算算法获得突破

在过去,物理学家主要依赖复杂的理论计算来预测某种材料是否会具有拓扑状态,研究人员知道的拓扑材料只有几百种,而被详细研究过的只有十几种。2017年,普林斯顿大学和哈佛大学各自开创了新方法。新方法根据材料的化学性质和结构对称性,可以自动地将数据库中的材料分类,大大加快了拓扑结构的搜索过程。2018年,普林斯顿大学、哈佛大学和中科院北京凝聚态物理国家实验室利用这两种算法,分别创立了自己的拓扑材料数据库(目录),发现数千种已知材料都可能具有拓扑性质——即自然界中大约24%的材料可能都具有拓扑结构,颠覆了以前对拓扑材料范围的印象。目前实验物理学家认为,该研究的下一个方向是将关于材料的其他实用信息导入数据库,比如把该物质的晶体缺陷会如何影响电子流动的信息导入数据库,这有助于把名单缩小到最实用的范围。

二、石墨烯及类石墨烯材料为拓扑结构研究提供平台

上海交通大学首次合成具有拓扑性质的石墨烯纳米带,验证了伯克利大学的相关预测——边缘结构交替的石墨烯纳米带结构具有拓扑保护的界面态,进而可以用来调控一维的拓扑量子态,实现Su-Schrieffer-Heeger模型。中国科学技术大学成功制备出具有与石墨烯完全一致的平面蜂窝状结构的单层锡烯,该材料具有拓扑能带反转和大拓扑能隙,为类石墨烯材料的拓扑物性研究开辟了一条新的研究路线。

三、拓扑量子器件研发取得进展

美国麻省理工学院、加拿大英属哥伦比亚大学和美国华盛顿大学分别采用不同的器件设计方案,在二维拓扑绝缘体——单层二碲化钨(WTe2)中通过门电压调控载流子浓度获得超导电性,成功把二维拓扑绝缘体变成了二维超导体,这是首次在拓扑非平庸体系实现绝缘体-超导量子态的连续调控,为未来拓扑量子器件的研发开辟了一条更为简单方便的道路。

四、拓扑材料向现实设备应用不断前进

东京理工大学开发的铋锑合金纯自旋流(pure spin current,自旋角动量的流动形成纯自旋流)源是目前拓扑绝缘体第一次应用于工业领域的最佳候选对象。这一成果标志着自旋-轨道转矩磁阻式随机存储器(SOT-MRAM)的发展前进了一大步,并有望取代现有的存储技术。中科院物理所首次在铁基超导材料中发现了马约拉纳束缚态,为后续实现“编织量子比特”,进而制造拓扑量子计算机打下了坚实的基础。


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