拓扑绝缘体的下一代

1、拓扑绝缘体的下一代    拓扑绝缘体是这样一类物质，它有一个大的绝缘带，在没有磁场的情况下，显示出一种类似量子霍尔效应的行为。因为它包含的一种表面态被时间反演对称性拓扑地保护,从而避免了散落,所以这种系统为量子计算机提供了一种途径。然而，在凝聚态物质中，传统的拓扑现象就像是“温室里的花朵”，它们虽然漂亮但也脆弱，而且到现在为止，在没有达到某个极限温度和外加磁场的情况下，是不可能实现的。但是，这个刊物中的这几页文章可能要把这个传统的观念推翻了1，2。这几页文章显示了一类三维拓扑绝缘体材料，它们有保护的表面态，并在常温和没有磁场时，显示了一些其他的拓扑行为。

2、在刊物的398页，Zahid Hasan和他的同事们，报告了对Bi2Se3这种具有明显绝缘特征的大块材料的观测，实验采用了角分辨光电子能谱（ARPES）的观测方法和第一原则的计算。对比先前研究的一些材料，Bi2Se3有一个大的能隙和一个与拓扑保护有关的狄拉克表面状态。与此同时，用电子结构计算的理论工作，由张守晟和他的合作者2报告的文章发表在同一本刊物的438页。文章说明，实际上，Bi2Se3仅仅是一系列具有一个大能隙的拓扑绝缘体中的一种，他们还提供了一种简单的模型去探究它们的物理性质。这为从实验的角度去认识这类物质和发展富有活力的拓扑状态在这类物质中的潜在应用提供了方法。  

3、;是什么使拓扑绝缘体和一般的绝缘体有所不同呢?在拓扑绝缘体材料中，自旋轨道耦合引起了一种绝缘物质，它要求具有被保护的边缘或表面态，这种状态与自然状态下量子霍尔效应中的边界态很相似。例如，在三维的拓扑绝缘体状态中（3，4），最近发现BiSb合金5就有这样的表面态，而且即使在相当大混乱程度下，只要没有磁场或其他磁性杂质破坏保护这种状态的时间反演对称性，它仍是金属性的。在三维拓扑绝缘体中的这样一种表面态，与一维状态下在量子自旋霍尔中的电流运载边界效应6很相似。这个最简单的形状可以被看作一个狄拉克费米子金属，与石墨烯很相似，但又没有波谷和自旋简并这两部分（见图1）。理论上讲，尽管在BiSb合金中的一些

4、现象与最近Bi2Se3中观测到的一样，但是，这里有关键的三点 表明，Bi2Se3更可能成为将来的实验中研究这种现象值得参考的材料。首先，因为另外一些表面结构的存在，在BiSi中要获得拓扑保护的表面态非常复杂的。相反，角分辨光电子能谱实验方法和理论分析都显示，在Bi2Se3中仅有一种表面状态出现，并且，它还有一个电子的差量，与一个理想化的狄拉克圆锥（见图1）非常接近；其次，Bi2Se3可以化学计量，它不是像BixSb1-x那样的合金，而是一种纯净的化合物，因此，原则上它可以被制取成高纯度的。这一点非常重要，因为拓扑绝缘现象虽然在材料结构无序是仍明显，但是大多数探测这种现象的方法，包括测量这些材料

5、表面态的角分辨光电子能谱法，在高纯度样品中会更清晰些；第三，而且可能也是最重要的应用，Bi2Se3有一个大的能隙，大概为0.3ev（约3600K）,这与理论上估算的结果相当吻合。因为材料不纯时没有这样一个能隙，这个大能隙表明，可以在常温条件下看到拓扑绝缘体的性质，并且极大地提高了它广泛应用的可能性。为了理解这样一些新材料的可能影响力，可以和早些年铜的氧化物在高温导性方面的应用进行一个对比，以镧钡铜氧化物为材料的第一代超导体，很快被以钇钡铜氧化物和铋锶铜氧化物为材料的第二代超导体迅速取代，并被广泛应用。对于三维的拓扑绝缘体，Bi2Se3很可能成为一系列第二代拓扑绝缘材料中的一个，取代第一代BiS

6、b。另外一种可能的第二代拓扑绝缘体是Bi2Te3，作为被张守晟和他同事们2讨论的材料中的一种，Bi2Te3是一种被广大科学家熟知的在温差电中常使用的材，室温附近，在一些极重要的工程体制中，它被广泛使用。   第二代拓扑绝缘体为进行一系列的实验和潜在的应用提供了可能的途径。其中，提出的一个实验是这样的，当对拓扑绝缘体施加一个微弱的时间反演破坏时，会在它的表面打开一个能隙，在量子磁电耦合7中，这样一个结果是由量子霍尔效应的表面态引起的。尽管磁电耦合导致了一些影响被称作轴子电动力学，这是因为在被称为轴子的微粒和电磁场中有类似的相互作用，这个问题曾在1980年被讨论过（8），然而，

7、仍不清楚这些结果怎样能在现实的材料中实现。在拓扑绝缘体上进行的实验促使了对磁电耦合的理解，而且拓扑绝缘体也与含铁的物质有关，在这些物质中，轴子电动力学只是全部磁电观测数据的一部分9。因此，作为这个新领域的属性，在拓扑绝缘体中对量子磁电耦合的观测数据，是实验优先考虑的一个因素，是对在光电效应中观测到的微观物质结构的一个补充。  这些新材料指示了一个雄心勃勃的实验方向，在拓扑绝缘体中，去研究一个与电子有关的物理现象比如超导性是怎样被接受的。期望创造一个传统的中微子费米子就是一个特别引起好奇心的例子，可以通过接近效应在一个拓扑绝缘体和一个传统的超导体之间实现它10。费米子中微子的

8、一个特征是，它本身就是自己的反粒子，因此，它仅有传统的狄拉克费米子（例如电子）一半的自由度。至今，中微子费米子仍未在实验中被清楚的观测到10，但是已经预言，在一定条件下，一个电子可以分裂成两个中微子费米子，而且，一些令人感兴趣的凝聚态现象作为一些新兴的观点支持这些理论，能够用拓扑现象对费米子中微子直接的观察是进行量子估算的关键一步1。   这也是对理论提出的一个重要的开放性的问题，可以在单个电子的水平定义拓扑绝缘现象，显示出电子的量子数（自旋和电荷）与整数量子霍尔效应相类似，相反，分数量子霍尔效应是与分数的电荷和状态所显示的拓扑现象相一致。我们对拓扑绝缘体的不断理解可引领我

9、们发现这个领域新的“分数的”现象。这篇文章表明，从实验和理论方面对拓扑绝缘体研究的不断进展，回答了固体中些有关电子异常现象的基本问题，也促进了这些问题的发展。Joel Moore任职于加州大学和材料科学部，劳伦斯伯克利国家实验室的物理部门。地址：美国，加 州94720，伯克利。电子邮箱：参考文献：1.Xia, Y.-Q. et al. Nature Phys. 5, 398402 (2009).2. Zhang, H. et al. Nature Phys. 5, 438442 (2009).3. Fu, L., Kane, C. L. & Mel

10、e, E. J. Phys. Rev. Lett. 98, 106803 (2007).4. Moore, J. E. & Balents, L. Phys. Rev. B 75, 121306 (2007).5. Hsieh, D. et al. Nature 452, 970974 (2008).6. König, M. et al. Science 318, 766770 (2007).7. Qi, X.-L., Hughes, T. L. & Zhang, S.-C. Phys. Rev. B 78, 195424 (2008).8. Wilczek, F. Phys. Rev. Lett. 58, 17991802