量子计算的里程碑：科学家实验性观测到拓扑绝缘体表面电流

凤凰科技讯 北京时间3月4日消息据科学日报报道， 在最新一期的《自然•物理学》上，德国科学家报告称他们实验性的观察到电流流经拓扑绝缘体晶体表面通道。这一通道不足1纳米宽， 沿着晶体晶格的原子台阶延伸。科学家们还展示了在任何排列里如何引入这些原子台阶。

德国科学家实验性的观察到电流流经拓扑绝缘体晶体表面通道

拓扑绝缘体是材料物理学里的一个热门话题。这些材料最显著的特性便是它们既可作为导体也可作为绝缘体，他们的内部阻止电流通过而边缘或表面则允许电荷的移动。

德国亚琛工业大学、德国科研中心、德累斯顿工业大学和德国莱布尼兹固体和材料研究所的德国科学家报告称拓扑绝缘体表面电流的移动是沿着微小的通道，后者已经被理论计算和实验性观测到。他们的研究被发表在3月2日的期刊《自然•物理学》上。

他们展示了对铋-铑-碘晶体来说，这些通道与一维空间表面特征相连，且沿着原子层边缘形成的原子台阶移动。扫描隧道谱显示电子通道在能量和空间方向是连续的，且不足1纳米宽。

考虑到拓扑绝缘体的特性，电流在这些通道里畅通无阻，而电荷几乎无法在通道之间移动。这种方式导致拓扑绝缘体表面相当于由晶体表面原子台阶定义的一组电线。科学家们展示了这一表面可以形成任何排列方式，这使得通道网络可以与纳米精确度相匹配。这一通道电流允许了电子传输同时阻止了能源消耗所导致的典型的“分散”，也就是指电子偏离自己的轨道。因此，产生的能量损耗和热发生极大的减少了。这些特性导致拓扑绝缘体或可以应用于电子学。此外，他们还将促成新式信息处理类型，例如自旋电子学或者量子计算。然而，基于拓扑绝缘体的新设备发展的前提条件是对这些量子现象的深刻理解。近期发表的这篇文章是朝这个方向迈出的里程碑式的一步。

在过去的十多年，全世界的科学家都在调查和描述拓扑绝缘体的传输。2013年德累斯顿工业大学的迈克尔•洛克教授（Michael Ruck）带领的科研小组成功的首次培育出铋-铑-碘单晶体。与德国莱布尼兹固体和材料研究所的科学家们合作，他们总结称这些晶体是具有导电通道的拓扑绝缘体。在德国亚琛工业大学进行的最新实验加上德累斯顿工业大学的计算证明了这一假设。（编译/严炎刘星）

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