前沿科技之奇特拓?fù)涑瑢?dǎo)材料 表面金屬內(nèi)部超導(dǎo)體

掃街

3年前，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)了三維拓?fù)浣^緣體，這是一種金屬表面的奇怪絕緣 體，雖然它獨(dú)特的屬性具有很大應(yīng)用潛力，但用于量子計(jì)算機(jī)卻并非理想材料。兩年來(lái)，科學(xué)家經(jīng)過(guò)不斷探索，完全扭轉(zhuǎn)其性質(zhì)，使之成為表面是金屬、內(nèi)部卻具有 超導(dǎo)性的拓?fù)涑瑢?dǎo)體。這種新材料的發(fā)現(xiàn)有望發(fā)展出新一代電子學(xué)，使當(dāng)前的信息存儲(chǔ)與處理方式完全改觀。
4 V; N9 J* ^9 u8 |9 y' ~, A2 l) P/ n
, O9 X( c: }( ^9 a9 l6 c

表面是金屬內(nèi)部是超導(dǎo)體

據(jù) 美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)11月3日（北京時(shí)間）報(bào)道，普林斯頓大學(xué)扎西德·哈桑領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了一種具有“雙重性格”新型晶體材料：在極低溫度下，晶體內(nèi) 部表現(xiàn)與普通超導(dǎo)體類似，能以零電阻導(dǎo)電；同時(shí)，它的表面是仍有電阻的金屬，能傳輸電流。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期《自然·物理學(xué)》雜志上。

實(shí) 驗(yàn)中，為了評(píng)價(jià)新晶體材料的性能，研究人員利用X光譜進(jìn)行分析，通過(guò)研究X射線轟擊出來(lái)的單個(gè)電子來(lái)確定晶體的真實(shí)屬性，測(cè)試發(fā)現(xiàn)生成的是一種拓?fù)涑瑢?dǎo) 體。研究人員進(jìn)一步在晶體的表面發(fā)現(xiàn)了不同尋常的電子，其表現(xiàn)得像輕子。由于哈桑小組去年曾經(jīng)第一次直接觀察到了一種被稱為螺旋狀狄拉克費(fèi)米子的電子，此 時(shí)他們立刻認(rèn)出了這種電子就是科學(xué)家長(zhǎng)期尋找的馬拉約那費(fèi)米子（Majorana fermions）。

而 賓夕法尼亞大學(xué)物理學(xué)家查爾斯·凱恩預(yù)測(cè)，如果一種拓?fù)涑瑢?dǎo)體取代了一種拓?fù)浣^緣體，把這種混合材料置于強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，其邊界電子將變成馬拉約那費(fèi)米子。由 于這種新晶體材料囊括了金屬、絕緣體和傳統(tǒng)超導(dǎo)體等多重“身份”，如何根據(jù)電子狀態(tài)來(lái)將它歸類讓科學(xué)家困惑不已。哈桑表示，拓?fù)涑瑢?dǎo)體除了表面是金屬以 外，其他部分都是超導(dǎo)體，這將給我們帶來(lái)許多應(yīng)用前景。

把絕緣體變成超導(dǎo)體

2007年，哈桑領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了三維拓?fù)浣^緣體硒化鉍。在過(guò)去的兩年中，研究小組扭轉(zhuǎn)了硒化鉍的屬性，使其變成了表面是金屬、內(nèi)部為超導(dǎo)體的材料，這種屬性就很適合于未來(lái)電子學(xué)的開(kāi)發(fā)。

為 了使超導(dǎo)體具有拓?fù)湫再|(zhì)，參與研究的普林斯頓大學(xué)化學(xué)教授羅伯特·卡瓦把銅原子嵌入硒化鉍半導(dǎo)體的原子晶格中，發(fā)明了一種新晶體。這一過(guò)程稱為半導(dǎo)體摻 雜，是一種改變材料電子數(shù)量的方法，用來(lái)轉(zhuǎn)變其電性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低于4K（約零下269攝氏度）的溫度下，合適的嵌入數(shù)量能將晶體轉(zhuǎn)變成一種超導(dǎo)體。但 美中不足的是，根據(jù)最初的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，超導(dǎo)體無(wú)法長(zhǎng)久保持其拓?fù)湫再|(zhì)，在真空中僅能保持幾個(gè)月。

加 州大學(xué)伯克利分校物理副教授約爾·摩爾說(shuō)，從理論上而言，如果一種拓?fù)浣^緣體變成了拓?fù)涑瑢?dǎo)體，它會(huì)具有一些超常的性質(zhì)，最異類的就是出現(xiàn)馬拉約那費(fèi)米 子。由普通原子核和電子構(gòu)成的固體能“生成”具有特異性質(zhì)的粒子，比如分?jǐn)?shù)電荷，但馬拉約那費(fèi)米子是零質(zhì)量零電荷，這可能是最奇怪的。盡管還沒(méi)有能檢測(cè)拓 撲超導(dǎo)體的工具，但哈桑的研究在正確的方向上邁進(jìn)了一大步。

應(yīng)用還需再等幾十年

量 子計(jì)算機(jī)使用次原子粒子“量子”來(lái)存儲(chǔ)和處理信息。量子計(jì)算機(jī)將來(lái)能以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)今天傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度來(lái)操作數(shù)據(jù)，然而，研制更高性能量子計(jì)算機(jī)的努力，卻 由于量子行為的不確定而受到阻礙。如果多個(gè)馬拉約那費(fèi)米子的運(yùn)動(dòng)能被預(yù)測(cè)，拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)用它們來(lái)存儲(chǔ)信息將是容錯(cuò)的，即計(jì)算機(jī)能“知道”自己在執(zhí)行對(duì)錯(cuò) 計(jì)算時(shí)是否出現(xiàn)了錯(cuò)誤。

“從新物理學(xué)發(fā)展到新技術(shù)應(yīng)用需要很長(zhǎng)時(shí)間，通常要20年到 30年時(shí)間。”哈桑介紹說(shuō)，拓?fù)涑瑢?dǎo)體最激動(dòng)人心的應(yīng)用就是高能量子計(jì)算機(jī)，它能在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，一旦出錯(cuò)就會(huì)在信息處理過(guò)程中產(chǎn)生抵抗。他解釋說(shuō)，普 通電子帶負(fù)電荷，而馬拉約那費(fèi)米子是中性的，它不會(huì)被附近的粒子、原子吸引或排斥，它們的行動(dòng)就是可預(yù)測(cè)的，有著預(yù)定的軌跡，這是它們真正的潛能所在。

哈桑也稱，這種具有雙重電子特性的新型超導(dǎo)材料，可以被認(rèn)為是一種特殊的絕緣體。“我們可以利用這一點(diǎn)來(lái)‘哄騙’電子嗖嗖地跑到它的表面上，變成馬拉約那費(fèi)米子。”

“這些超導(dǎo)體是產(chǎn)生和控制馬拉約那費(fèi)米子的理想育兒所。”論文第一作者L·安德魯·雷說(shuō)。由于粒子是存在于超導(dǎo)體中的，能以低能耗裝置來(lái)控制，不僅環(huán)保，也避免了當(dāng)前硅材料不可避免的過(guò)熱問(wèn)題。

目前，研究小組還在鑒別其他種類的拓?fù)涑瑢?dǎo)體和拓?fù)浣^緣體。關(guān)于進(jìn)一步的研究，哈桑和他的團(tuán)隊(duì)表示將繼續(xù)檢測(cè)馬拉約那費(fèi)米子，找出控制它們性質(zhì)的方法。他們的兩個(gè)重要目標(biāo)，一是找到高溫超導(dǎo)的拓?fù)洳牧希�二是開(kāi)發(fā)內(nèi)部高度絕緣的拓?fù)浣^緣體。

量 子計(jì)算機(jī)之所以成為人們關(guān)于這種新材料應(yīng)用的第一聯(lián)想，主要是因?yàn)槿绻�用馬拉約那費(fèi)米子承載量子信息，將能有效保護(hù)脆弱的量子態(tài)不受侵害。與兩次受到諾貝 爾獎(jiǎng)青睞的量子霍爾效應(yīng)極其相似，“非驢非馬”的拓?fù)涑瑢?dǎo)體和不久前發(fā)現(xiàn)的拓?fù)浣^緣體展示的奇異量子現(xiàn)象自然讓這些科學(xué)家興奮不已。拓?fù)浣^緣體一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便 成為寵兒，拓?fù)涑瑢?dǎo)體肯定更將被物理學(xué)界視作明天嬌子。求索之路遙遙，即使它只是曇花一現(xiàn)，我們無(wú)疑也會(huì)從中獲知良多