神秘晶体正在推动一场新的革命,究竟是什么样得晶体?

2021-03-19 14:30:34

 

随着科技的发展,铋晶体在研究人员中确认了名为“拓扑绝缘体”的新电子态,这一举动在材料科学领域掀起了一轮新的革命

铋(Bi)在元素周期表中位于铅(Pb)和钋(Po)之间,其外观平平无奇,经氧化处理后在充足光照下会呈现出华丽的虹色,否则便是寻常的银白色。

神秘晶体正在推动一场新的革命,究竟是什么样得晶体?

此外,它质脆易粉碎,导电性差,还有轻微毒性,所以在这竞争激烈的材料世界中并不突出,更遑论与铜、硅或锂这些高科技行业的佼佼者比肩。铋可用于治肠胃炎的抗酸剂、化妆品、焊料、润滑剂、颜料、合金,甚至在半导体中也能见到。

简言之,都不是特别高端的应用领域……然而在基础研究方面,这个名字来头颇为神秘的元素别具魅力。铋之所以得到研究,是因为“它在强磁场中具有显著的量子特性”,物理学家埃莱娜·布基亚(Hélène Bouchiat)指出。

神秘晶体正在推动一场新的革命,究竟是什么样得晶体?

这笔隐藏财富或将推动材料科学界新一轮革命。“铋可能是周期表中最奇特和最被低估的元素之一。”德国马普固体物理和材料研究所研究员克里斯汀·阿斯特(Christian Ast)2018年7月在《自然》杂志上发文评价道,“它理应是绝缘体,却有一定的导电性。我们以为其原子核是稳定的,但事实上它有着极弱的放射性。当我们视其为正常的导体时,它却呈现出一些超导性质。”

“2012年我们刚开始研究铋的时候,完全不知道它具有如此特性!”埃莱娜·布基亚回忆说。她与巴黎第十一大学固体物理学实验室的索菲·盖伦(Sophie Guéron)、阿里·卡苏莫夫(Ali Kasumov)、理查德·德伯克(Richard Deblock)以及其他来自法国、瑞士、美国、西班牙和俄罗斯的科学家携手,证明了发现已久的铋晶体是一种新材料类别——二阶拓扑绝缘体——的“首席代表”。

“拓扑绝缘体”这个术语近十几年来常被材料物理学家挂在嘴边,甚至引起诺贝尔奖委员会的重视。2016年诺贝尔物理学奖就授予了相关领域的三位开拓者。因为关于拓扑物态的科学发明已在工业界掀起过数次革命,如1960年代的硅电子产品、1980年代的复合材料和1990年代的超导体。

神秘晶体正在推动一场新的革命,究竟是什么样得晶体?

拓扑学是研究几何体形变的数学分支,使用拓扑学来研究材料的想法诞生于1960年代,不过拓扑绝缘体的概念只能回溯到2000年代,首例拓扑绝缘体直到2008年才在实验室里被制造出来:该化合物包含锑和铋!

“我们在见证物质的一种新电子态……”关于索菲·盖伦口中的新电子态,并没有多少直观简洁的表述。实际上,这个领域研究的是“自旋轨道耦合”“狄拉克锥”“布里渊区”“能带反转”之类的内容。为避免读者迷失在量子迷宫中,下文只描述其宏观特性。

首先,拓扑绝缘体是晶体,像硅、金刚石或盐一样,它们的原子都遵循一定方式重复排列。这种有序的结构赋予了晶体特殊的物理性质。比如可用作导体的铜,其原子在晶体结构的连接中能释放各自的电子,形成所谓的“自由电子气体”,正是自由电子的运动保障了导电性。

“长期以来,人们认为只有两种类型的材料:导体和绝缘体。”索菲·盖伦回顾道,“直到拓扑绝缘体被发现:它们内部是绝缘的,其边缘却能导电。”内部绝缘,表面导电——这听上去很简单的差异却使得拓扑绝缘体与普通绝缘体之间有了质的不同,因为其表面的独特电流也和铜之类导体内部的电流不一样。

拓扑绝缘体内部的静态原子与自由电子之间的相互作用使得电子能够越过“障碍”。通常情况下,晶体内部总会有晶格缺陷(排列混乱的无序区域、多出的原子、杂原子等)。

在拓扑绝缘体内,如果电子移动途中遇到晶格缺陷,它们不会像在寻常导体里那样发生偏转或扩散,而是“视若无睹”般地穿过这些晶格缺陷……

在常规导体中,自由电子以无序的方式移动。电子自旋可以是任意方向,且电子遇到杂原子时会发生偏转。

在拓扑绝缘体中,电子自旋垂直于电流方向,导致电子被驱赶到晶体表面——这不仅使得电子流动更顺畅,也帮助它们避开了内部的杂原子。

在铋晶体中,电子同时在两个维度(晶体内部和表面)上被驱赶,最终聚集在棱边。

因此尽管在寻常导体中,电子会与无序区域的原子摩擦产热从而耗散能量,但在拓扑绝缘体中,晶格缺陷无碍电子的流动,所以能以最小的损耗在晶体边缘传导电流。换言之,电能的传输将变得没有热损耗!而热损耗恰是阻碍微处理器进一步小型化的原因。

要知道,互联网巨头们的电力开销中有50%是为了冷却规模庞大的计算机集群,试想没有热损耗的元器件能带来多少利益!

很快,在相关企业着手制造拓扑绝缘体的同时,对它们的理论研究揭示了这些独特性质的源头:与晶体原子属性相关联的量子现象和相对论的特定结合。

“这都是些重原子,它们能在局部产生强电场。”埃莱娜·布基亚解释道,“而对于以百分之一光速运动的电子,受相对论效应影响,它们就如同与电子运动同向的磁场。”结果,电子自旋这一量子属性赋予了电子本身一根“磁针”,其朝向总是垂直于电流的方向,这也有利于电子的流动。

最终,晶体的静态重原子创造的磁场规律性地贯穿电流全路径,将自由电子往边缘赶,且始终维持电子自旋的方向有利于它们移动。

“电子自旋和其运动之间的耦合使得电子流动有个优势方向:遭遇排列混乱的区域时,它们不会发生偏转、反射或扩散,因为在晶格缺陷不是太多的情况下,电子只能保持原本的方向,除非其自旋被改变。”索菲·盖伦归纳说。而铋晶体的与众不同之处就在于它能迫使电流流向晶体的棱边。“我们甚至在理论文献确认其可能性之前就发现了铋的这种现象。”她打趣道。

此前,已知的拓扑绝缘体都是一阶的,其特征是电流存在于较物体本身少一个维度的界面:当物体是三维的,电流流经物体的各个面;而如果是几乎平面的物体,那电流只流经各个棱边。

“铋的研究一度被束之高阁,至少纯铋如此,因为理论上来说它不是一阶拓扑绝缘体。”埃莱娜·布基亚回顾道,“而我们发现它实际上是二阶拓扑绝缘体:即电流沿着比物体少两个维度的路径流动!”也就是说在一个铋的立方体中,电流仅存在于立方体的棱上。

理论上只要在这种晶体上刻蚀出“电路板”,便能让电流无热损耗地经过!当然,这一现象目前仅在低温真空环境下得以实现,而且需要极其精细的工序。

这种限定在二阶拓扑绝缘体棱边的电流依然遵循着和一阶拓扑绝缘体相同的量子定律。这是其独特的电子结构决定的:晶体核心的静态原子似乎会连续两次把自由电子往边缘赶,直至后者都集中在棱边……

而一支中美科研团队最近发现,铋其实也是一阶拓扑绝缘体,不过仅限于某个非常特殊的晶体表面——这又开辟了一个新概念,即晶体拓扑学。

拓扑绝缘体领域刚刚开始萌芽,而铋已被奉为其中最具前景的材料。“令人期待的是接下来会发生什么,以及铋在其中将扮演怎样的角色。”克里斯汀·阿斯特写道,“我们应当继续探索。越是凑近了看,能看到的越多。”

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