发现用于量子比特的一维拓扑绝缘体及更多

发布时间：2024-07-31 14:33:11 栏目：生活

导读 包括东北大学成员在内的联合研究小组发现了一种新型拓扑绝缘体 (TI)，这是一种不同于传统金属、绝缘体和半导体的独特物质状态。与大多数已

包括东北大学成员在内的联合研究小组发现了一种新型拓扑绝缘体 (TI)，这是一种不同于传统金属、绝缘体和半导体的独特物质状态。与大多数已知的三维或二维 TI 不同，这种 TI 是一维的。这一突破将推动量子比特和高效太阳能电池的进一步发展。



研究细节于2024年6月6日发表在《自然》杂志上。

TI 的内部表现为电绝缘体，这意味着电子不能轻易移动;而它的表面则充当电导体，电子能够沿着表面移动。

自从 21 世纪首次报道三维拓扑绝缘体以来，研究人员一直在寻找新的拓扑绝缘体。然而，一维拓扑绝缘体仍然难以捉摸。

“一维拓扑绝缘体尤其有趣，因为出现在其端点的电荷实际上构成了量子比特——量子计算中信息的基本单位。因此对量子物理学至关重要，”东北大学理学院助理教授、这项研究的共同作者 Kosuke Nakayama 指出。

Nakayama 和他的同事将注意力集中在碲 (Te) 上，这是一种主要商业用途是太阳能电池板和热电设备的半导体。最近的理论预测表明，单螺旋链实际上可能是一维 TI。为了验证这一点，该团队需要观察限制在这些链端点的电荷。

这需要制备出干净的 Te 链边缘，且不会造成结构损坏，而这可以通过采用新开发的气体团簇离子束 (GCIB) 系统来实现，该系统可以将表面修改到纳米以内。然后，他们使用带有微聚焦光束的角分辨光电子能谱 (ARPES) 可视化了电荷的空间分布。他们的研究证实，电荷确实出现在链的端点，从而支持了 Te 的一维 TI 特性。

Nakayama 强调，他们的研究标志着朝着理解一维 TI 的特性迈出了关键一步，并将带来广泛的好处。“一维 TI 端点的电荷有多种用途：量子比特、高效太阳能电池、高灵敏度光电探测器和纳米晶体管。我们对一维 TI 的发现将有助于加速实现这些应用的研究。”

除了东北大学外，该团队的研究人员还包括来自大阪大学、京都产业大学、高能加速器研究机构 (KEK) 和国家量子科学技术研究所的研究人员。