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信息技术的拓扑材料可无损传输信号

2019-12-19 10:51:58 • 来源：

在BESSY II上进行的磁掺杂拓扑绝缘子的新实验表明，可能的无损信号传输方法涉及令人惊讶的自组织现象。将来，可能有可能在室温下开发具有这种特性的材料，这些材料可以用作例如量子计算中的处理单元。该研究已发表在《自然》杂志上。

信息技术的拓扑材料可无损传输信号

固态物理学中的新效应通常是在接近绝对零(0开尔文或-273°C)的温度下首次发现的。然后，进一步的研究可以确定是否以及如何在室温下诱发这些现象。100多年前，最初在低于4开尔文的汞中观察到超导性。如今，有许多高温超导体可以在高达138开尔文甚至200开尔文的温度下传导电流而不会产生电阻损耗(H2S的记录)。

2013年，在低于50毫基尔文的磁掺杂拓扑绝缘体中首次观察到了量化异常霍尔效应(QAHE)。类似于超导性，这种效应可在样品的薄边缘通道内无损传输电荷。同时，研究人员将观察到该效应的最高温度提高到大约1开尔文。

但是，基于理论上的考虑，QAHE应该在更高的温度下发生。因此，为什么不发生这种情况是一个谜。一个关键参数称为样品的磁能隙，以前从未对其进行过测量。该间隙越大，作用对温度的影响就越稳定。

由林茨大学的HZB物理学家Oliver Rader教授和Gunther Springholz教授领导的国际团队取得了突破。通过具有BESSY II同步辐射的光电子能谱，他们首次能够测量此类样品中的能隙。为此，使用ARPES1cube达到极低的温度。研究人员使用了位于BESSY II的俄罗斯-德国实验室的新型自旋分辨能力。令人惊讶的是，这个差距实际上比理论上的预测大五倍。

科学家们还发现了导致这种结果的一个简单原因：“我们现在知道锰掺杂不会以无序的方式发生。相反，它会导致分层，这种分层被称为材料的上层结构，层很像酥油，”斯普林霍尔茨。“通过添加百分之几的锰，将形成七层和五层的交替单元。这将导致锰优先包含在七层单元中，从而可以更有效地产生能隙。”

拉德回顾说，迄今为止，研究人员在使用掺杂剂方面的想象力还远远不够。他们使用具有磁性的三价元素(例如铬和钒)替代碲化铋(Bi 2 Te 3)中的铋，且掺杂原子处于无序状态。其原因似乎令人信服：三价磁性元素为化学键贡献了三个电子，它们的化学价将这些元素带到铋位。

对于锰，情况就不同了。由于锰是二价的，因此它不能很好地适合于铋位。显然，这就是为什么该系统发生自由基重组并产生一个新的双层原子(其中锰可以双价结合)的原因。“以这种方式，以自组织的方式创建了一种结构，锰可以产生较大的磁能隙，”拉德解释说。

根据Springholz的说法，如果以特定方式利用这些自组织现象，那么磁拓扑材料的全新配置将会出现。原则上，现在已经测量出的间隙已经很大，应该可以用合适的组件构造出接近室温的 QAHE。但是，其他参数仍然需要改进。这样的磁性拓扑绝缘体与普通的超导体相结合，也可以实现用于量子计算机的量子处理单元(Qbit)。

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