前沿科技之奇特拓撲超導材料 表面金屬內部超導體

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3年前，美國普林斯頓大學的一個研究小組發現了三維拓撲絕緣體，這是一種金屬表面的奇怪絕緣 體，雖然它獨特的屬性具有很大應用潛力，但用于量子計算機卻并非理想材料。兩年來，科學家經過不斷探索，完全扭轉其性質，使之成為表面是金屬、內部卻具有 超導性的拓撲超導體。這種新材料的發現有望發展出新一代電子學，使當前的信息存儲與處理方式完全改觀。

表面是金屬內部是超導體

據 美國物理學家組織網11月3日（北京時間）報道，普林斯頓大學扎西德·哈桑領導的研究小組發現了一種具有“雙重性格”新型晶體材料：在極低溫度下，晶體內 部表現與普通超導體類似，能以零電阻導電；同時，它的表面是仍有電阻的金屬，能傳輸電流。相關成果發表在最新一期《自然·物理學》雜志上。

實 驗中，為了評價新晶體材料的性能，研究人員利用X光譜進行分析，通過研究X射線轟擊出來的單個電子來確定晶體的真實屬性，測試發現生成的是一種拓撲超導 體。研究人員進一步在晶體的表面發現了不同尋常的電子，其表現得像輕子。由于哈桑小組去年曾經第一次直接觀察到了一種被稱為螺旋狀狄拉克費米子的電子，此 時他們立刻認出了這種電子就是科學家長期尋找的馬拉約那費米子（Majorana fermions）。

而 賓夕法尼亞大學物理學家查爾斯·凱恩預測，如果一種拓撲超導體取代了一種拓撲絕緣體，把這種混合材料置于強磁場中時，其邊界電子將變成馬拉約那費米子。由 于這種新晶體材料囊括了金屬、絕緣體和傳統超導體等多重“身份”，如何根據電子狀態來將它歸類讓科學家困惑不已。哈桑表示，拓撲超導體除了表面是金屬以 外，其他部分都是超導體，這將給我們帶來許多應用前景。

把絕緣體變成超導體

2007年，哈桑領導的研究小組發現了三維拓撲絕緣體硒化鉍。在過去的兩年中，研究小組扭轉了硒化鉍的屬性，使其變成了表面是金屬、內部為超導體的材料，這種屬性就很適合于未來電子學的開發。

為 了使超導體具有拓撲性質，參與研究的普林斯頓大學化學教授羅伯特·卡瓦把銅原子嵌入硒化鉍半導體的原子晶格中，發明了一種新晶體。這一過程稱為半導體摻 雜，是一種改變材料電子數量的方法，用來轉變其電性。結果發現，在低于4K（約零下269攝氏度）的溫度下，合適的嵌入數量能將晶體轉變成一種超導體。但 美中不足的是，根據最初的實驗結果，超導體無法長久保持其拓撲性質，在真空中僅能保持幾個月。

加 州大學伯克利分校物理副教授約爾·摩爾說，從理論上而言，如果一種拓撲絕緣體變成了拓撲超導體，它會具有一些超常的性質，最異類的就是出現馬拉約那費米 子。由普通原子核和電子構成的固體能“生成”具有特異性質的粒子，比如分數電荷，但馬拉約那費米子是零質量零電荷，這可能是最奇怪的。盡管還沒有能檢測拓 撲超導體的工具，但哈桑的研究在正確的方向上邁進了一大步。

應用還需再等幾十年

量 子計算機使用次原子粒子“量子”來存儲和處理信息。量子計算機將來能以遠遠超過今天傳統計算機的速度來操作數據，然而，研制更高性能量子計算機的努力，卻 由于量子行為的不確定而受到阻礙。如果多個馬拉約那費米子的運動能被預測，拓撲量子計算機用它們來存儲信息將是容錯的，即計算機能“知道”自己在執行對錯 計算時是否出現了錯誤。

“從新物理學發展到新技術應用需要很長時間，通常要20年到 30年時間�！惫�桑介紹說，拓撲超導體最激動人心的應用就是高能量子計算機，它能在計算中發現錯誤，一旦出錯就會在信息處理過程中產生抵抗。他解釋說，普 通電子帶負電荷，而馬拉約那費米子是中性的，它不會被附近的粒子、原子吸引或排斥，它們的行動就是可預測的，有著預定的軌跡，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材料，可以被認為是一種特殊的絕緣體�！拔覀兛梢岳�用這一點來‘哄騙’電子嗖嗖地跑到它的表面上，變成馬拉約那費米子�！�

“這些超導體是產生和控制馬拉約那費米子的理想育兒所。”論文第一作者L·安德魯·雷說。由于粒子是存在于超導體中的，能以低能耗裝置來控制，不僅環保，也避免了當前硅材料不可避免的過熱問題。

目前，研究小組還在鑒別其他種類的拓撲超導體和拓撲絕緣體。關于進一步的研究，哈桑和他的團隊表示將繼續檢測馬拉約那費米子，找出控制它們性質的方法。他們的兩個重要目標，一是找到高溫超導的拓撲材料，二是開發內部高度絕緣的拓撲絕緣體。

量 子計算機之所以成為人們關于這種新材料應用的第一聯想，主要是因為如果用馬拉約那費米子承載量子信息，將能有效保護脆弱的量子態不受侵害。與兩次受到諾貝 爾獎青睞的量子霍爾效應極其相似，“非驢非馬”的拓撲超導體和不久前發現的拓撲絕緣體展示的奇異量子現象自然讓這些科學家興奮不已。拓撲絕緣體一經發現便 成為寵兒，拓撲超導體肯定更將被物理學界視作明天嬌子。求索之路遙遙，即使它只是曇花一現，我們無疑也會從中獲知良多