虽然传统的电子设备依赖于电子的传输，但单独传递自旋信息的组件在能源效率上的优势可能要高出许多倍。最近，来自德国慕尼黑工业大学(TUM)和马克斯-普朗克固态研究所的物理学家在开发用于此类组件的新型材料方面取得了重要进展。这些材料也可能是不易受到干扰的量子计算机的关键。该研究发表在近期的《自然》杂志上。

当人们在大约15年前发现一类被称为拓扑绝缘体材料的第一批代表时，人们对它们寄予厚望。研究人员预测，这些材料独特的电子结构将在其表面产生特殊的性能，例如更节能的信息传送，这将有助于在广泛的应用中开发新型电子元件。

但迄今为止，这些可能性还不能在应用中轻松的修改和控制。尽管已经付出了最大的努力，但其实该技术的开发已经有很长一段时间了。由于由慕尼黑工业大学Christian Pfleiderer教授领导的团队的这一发现，这种停滞不前的情况可能即将改变。

寻找新的出口

在原子中，电子占据各种原子轨道直至其达到最大能量。每个轨道对应一个固定的能级。在固体中，由于原子轨道重叠，能级取决于运动方向和电子的波长。不同运动方向和波长的能级在被称为能带的特征范围内变化。

虽然原子中轨道的能级以特定的顺序增加，但在固体中，源自于不同原子轨道的能级顺序也可能根据运动方向和电子的波长而颠倒。因此，对于某些运动方向和波长，最初与不同轨道相关联的能级的方向可能会相交。换句话说，不同轨道的能量在它们相交的地方是相同的。物理学家将这个能级称为费米能级。特别令人感兴趣的是这些交叉出现在负责导电性的电子水平上的材料中。

拓扑材料的发现

自上世纪30年代以来，人们就已经在真实材料知道了能带之间的交叉。然而除了在极少数的情况下，它们会因电子的相互排斥而抵消。这种效应会导致在预期能带交叉处出现间隙。由于能带结构中所有已知的交叉例子都发生在远离费米能级的地方，因此它们被视为微不足道的好奇心。

所有这一切都随着拓扑绝缘体的发现而改变，这种材料表面的电子结构恰好在费米能级处产生交叉。进一步的观察表明，这些交叉特别稳定，因为电子的量子力学波函数具有独特的特性，可以防止由于电子排斥而抵消。

无能量损失地传递信息

拓扑绝缘体表面的交叉点始终处于费米能级这一事实导致了其特殊的导电性质，这使得电荷和自旋信息可以在不损失任何能量的情况下进行传输。然而，科学家很快就发现拓扑绝缘体对材料杂质非常敏感，这会有效地使表面特性短路并阻止有用的技术变为现实。

然而，拓扑绝缘体的发现引发了科学家进行密集而系统的搜索，最终人们发现了许多在材料内部能带间具有拓扑交叉的大块材料。例如外尔半金属、狄拉克半金属和陈绝缘体等。科学家们预计，这些材料内部的交叉将在表面产生特殊的性质，将更便于开发新型的技术。

不幸的是，研究人员无法预测任何已知材料中的拓扑交叉是否恰好处于费米能级。这是因为迄今为止已知的交叉只发生在离散点或沿着特定的线，这意味着它们与费米能级只是偶然重合。但最后一点对于技术开发是至关重要的。此外，能够在应用中通过简单的方式打开和关闭交叉点似乎完全遥不可及。

可通过磁场进行切换

Pfleiderer教授团队中以Marc Wilde博士为首的科学家们现在已经证明，有一些材料具有能带总是成对通过的平面，这些被称为节点平面的特性，可以轻松定位费米能级的交叉点。交叉点总是正好出现在导带边缘穿过这样一个平面的地方。最早的例子之一是锰硅单晶。

该研究团队与斯图加特的马克斯-普朗克固态研究所的Andreas Schnyder博士一起成功阐明了这种行为的理论基础。

Andreas Schnyder博士说：“一个必要的先决条件是存在所谓的‘非对称’对称性。在锰硅中，这是原子排列的一种扭曲。”Marc Wilde说：“但这还不是全部。我们还能够证明，这类材料中的磁化可以取消关键的对称性，也可以取消节点平面。磁化方向实际上就像一把剪刀，我们可以用它来切割莫比乌斯带。”

基于这一见解，Andreas Schnyder和他在斯图加特的同事对所有已知类别的晶体结构进行了全面分析，以识别具有相同特性的晶体结构。现在，它已成为未来有针对性地搜索可比材料的基础。

不寻常的属性有显着的好处

Christian Pfleiderer说：“以锰硅为例，结合最近开发的理论原理，我们现在可以齐心协力地选择和优化材料。这些新材料不仅可以实现更节能的电子设备，还可以实现绝对新颖的应用。而且我们使用外部磁场来控制节点平面上的磁化效应。”

Pfleiderer补充道：“通过这种方式，这些材料甚至可以促进未来的拓扑量子计算。由于交叉点的特性，它相应的量子比特对干扰的敏感度会低得多。”而且在此基础上构建的量子计算机甚至可能摆脱需要在接近绝对零度的温度下运行的要求。（编译:Qtech）