錳矽的電子能帶結構的變化導致樣品（明亮立方體）的磁效能發生變化。這些可以使用高靈敏度懸臂扭矩感測器（棕色）進行測量。圖片來源：Matthias Dodenhöft/TUM
雖然傳統的電子學依賴於電子的傳輸，但單獨傳送自旋資訊的元件可能比傳統電子學更節能許多倍。慕尼黑理工大學（TUM）和斯圖加特馬克斯普朗克固態研究所的物理學家們現在已經在開發用於此類元件的新型材料方面取得了重要進展。這些材料也可能是量子計算機的關鍵，因為量子計算機不易受到干擾。
15年前，人們發現了第一批代表性的新型材料拓撲絕緣體，人們對此寄予厚望。研究人員預測，這些材料獨特的電子結構將在其表面產生特殊的效能，如高效的資訊傳輸，這將有助於新型電子元件的廣泛應用。
但到目前為止，這些可能性還不能在應用程式中輕易修改和控制。儘管作出了最大的努力，但技術開發仍將持續很長時間。由於慕尼黑技術大學（Technical University of Munich University of Munich）相關係統拓撲學教授克里斯蒂安·普萊德里爾（Christian Pfleiderer）領導的團隊的發現，這種情況可能即將改變。
尋找過境點
在原子中，電子佔據了各種原子軌道，達到了最大能量。每個軌道對應於一個固定的能級。固體中的原子軌道是重疊的能量水平取決於電子的運動方向和波長。不同運動方向和波長的能級在一個稱為能帶的特徵範圍內變化。
雖然原子軌道的能級以特定的順序增加，但在固體中，源於不同原子軌道的能級的順序也可能顛倒，這取決於電子的運動方向和波長。
最初與不同軌道有關的能級的方向可能因此在某些運動方向和波長上相交。換句話說，不同軌道相交處的能量是相同的。特別是在這些交叉點上，電子的導電性是在這些交叉點上出現的。物理學家把這個能級稱為費米能量。
拓撲材料的發現
自20世紀30年代以來，人們就知道了真實物質能帶之間的交叉點。然而，除極少數情況外，它們被電子的相互排斥所抵消。這種效應會導致能量帶在預期的交叉點處出現缺口。由於所有已知的能帶結構交叉的例子都發生在遠離費米能量的地方，它們被認為只是一件微不足道的奇事。
所有這些都隨著拓撲絕緣體的發現而改變，在這種絕緣體中，物質表面的電子結構產生了費米能量的交叉。進一步的觀察發現，由於電子的量子力學波函式的獨特性質，這些交叉點特別穩定，它阻止了透過電子排斥的抵消。
在不損失能量的情況下傳輸資訊
拓撲絕緣體表面的交叉總是在費米能級上，這導致了導電性的特殊性質，使得電荷和自旋資訊能夠在不損失能量的情況下傳輸。然而，很快就發現，拓撲絕緣體對材料雜質非常敏感，這有效地縮短了表面特性，阻礙了有用的技術實現。
然而拓撲絕緣體引發了一場密集而系統的研究，最終發現了許多材料內部能帶之間的拓撲交叉。例如Weyl金屬、Dirac金屬和Chern絕緣體等。科學家們預計，這些材料內部的交叉將導致表面的特殊性質，這些特性可用於技術開發。
不幸的是，研究人員無法預測任何已知材料的拓撲交叉是否完全在費米水平。這是因為到目前為止已知的交叉點只發生在離散點或沿著特定的線，這意味著它們只是偶然地與費米能級重合。
但最後一點對技術開發至關重要。此外，在應用程式中，能夠透過簡單的方法開啟和關閉交叉點似乎完全是遙不可及的。
可由磁場切換的
以馬克王爾德博士為首的普萊德里爾教授團隊的科學家們現在已經證明，有些材料的平面上的能帶總是成對透過。這些被稱為節面，使得費米能級的交叉點定位變得容易。它們總是正好位於導帶邊穿過這樣一個平面的地方。第一個例子是錳矽單晶。
與斯圖加特馬克斯普朗克固體研究所的安德烈亞斯·施耐德博士一起，研究小組成功地闡明瞭這種行為的理論基礎。
安德烈亞斯施奈德說：“一個重要的先決條件是存在所謂的‘非對稱’對稱性。在錳矽中，這是原子排列的扭曲。”。“但這還不是全部，”馬克·王爾德說，“我們還能夠證明，這種材料中的磁化能消除至關重要的對稱性，從而消除節面。磁化方向實際上就像一把剪刀，我們可以用來剪斷莫比烏斯帶。”
基於這一認識，安德烈亞斯·施奈德和他在斯圖加特的同事們對所有已知的晶體結構類別進行了全面分析，以確定具有相同性質的晶體結構。這是今後有針對性地搜尋可比材料的基礎。
非同尋常的特性，顯著的好處
“以錳矽為例，結合最近發展起來的理論原理，我們現在可以齊心協力地選擇和最佳化材料，”克里斯蒂安·普萊德勒說。“這些新材料不僅能使電子器件更節能，而且能使我們利用外部磁場控制節面上的磁化效應的全新應用。”
“這樣，”普萊德勒希望，“這些材料甚至可以促進拓撲結構量子計算未來。由於交叉點的特性，相應的qbit對干擾的敏感性要小得多。在此基礎上建造的量子計算機甚至可以擺脫在接近絕對零度的溫度下執行的要求。
這項研究發表於自然.
