自從一種被稱為拓撲絕緣體的新材料問世以來（這一發現幫助獲得了 2016 年諾貝爾物理學獎），研究人員一直對其的電子應用的可能性很感興趣，例如超低能晶體管、癌癥掃描激光器和超越5G的自由空間通信。拓撲絕緣體的不尋常名稱源于其內部絕緣和外部導電：在拓撲絕緣體的外邊界上，電或（在某些情況下）光很容易繞過角落和缺陷，并且幾乎沒有損失。

令人驚訝的是，拓撲絕緣體似乎只是第一代奇異的電和光半金屬、超導體和其他形式的物質。盡管這些奇怪的、有時甚至是古怪的化合物目前可能令人困惑，但研究人員發現這些材料具有特殊的特性，可以開發成未來的技術。

拓撲學是數學的一個分支，它探索與變形無關的形狀的性質。例如，一個形狀像甜甜圈的物體可以變形為杯子的形狀，這樣甜甜圈的孔就變成了杯子把手上的孔。然而，物體不可能在不改變成根本不同的形狀的情況下失去洞。

研究人員利用拓撲學的見解，于 2007 年開發了第一個電子拓撲絕緣體。沿著這些材料的邊緣或表面快速移動的電子受到“拓撲保護”，這意味著電子流動的模式將在面對任何干擾時保持不變可能會遇到。

拓撲材料如何進入未來的電子和光子學？以下是一些可能的路線。

電子拓撲絕緣體

澳大利亞科學家表示，基于電子拓撲絕緣體的晶體管可以幫助計算機節省大量能源。墨爾本莫納什大學的物理學家 Michael Fuhrer 說：“我們預計拓撲晶體管可以取代傳統的半導體晶體管，并且對于相同尺寸的晶體管使用更少的能量。”

為了將數據表示為 1 和 0，電子設備會在一種電狀態和另一種電狀態之間切換晶體管，這種切換需要最少量的電壓。研究人員探索了用電子拓撲絕緣體代替用于制造晶體管的傳統半導體。當這些材料表現正常時，它們的導電邊緣可以充當晶體管的“導通”狀態。但是當施加電場時，它們不再像電子拓撲絕緣體那樣起作用，因此不再具有導電邊緣，從而充當晶體管的“關斷”狀態。

通過使用正確的拓撲材料，科學家們計算出拓撲晶體管可以消耗標準晶體管的一半電壓和四分之一的能量。“今天的計算使用了世界電力的 8% 到 10%，并且每十年翻一番，”Fuhrer說。“所以我們需要一種新技術來提高計算機芯片的效率。拓撲晶體管可以做到這一點。”

拓撲晶體管的一個可能候選者是鉍，一種排列在蜂窩晶格中的單層鉍原子。研究人員剛剛開始在實驗室中研究鉍，因此還沒有將其制成晶體管。其他材料尚未合成。“這項工作需要很多時間，我們不希望我們設想的晶體管明年或什至在這十年內出現在你的 iPhone 中，”Fuhrer說。

光子拓撲絕緣體

2009年，科學家們開發出光子拓撲絕緣體，其中的光同樣受到拓撲保護。這些材料的結構導致特定波長的光沿其外部流動而不會損失或散射，即使在拐角和缺陷周圍也是如此。

第一個找到實際用途的拓撲絕緣體實際上可能是光子的，而不是電子的。一種可能的應用可能是包含拓撲保護的激光器，與傳統設備相比，它可能顯示出更好的效率和對缺陷的穩健性。這樣的好處將提高數量和加工后使用的設備的一致性，新加坡南洋理工大學電學和光學工程師Qi Jie Wang說。

科學家們從由砷化鎵和砷化鋁鎵層制成的芯片開始。當充電時，芯片發出明亮的光。研究人員在芯片上鉆了一系列孔，每個孔都類似于一個四角被修剪掉的等邊三角形。在這個格子周圍，研究人員鉆了額外的相同形狀但方向相反的孔。

來自芯片的光沿著不同組孔之間的邊界流動，并作為激光束從附近的通道發出。事實證明，這種制程可以抵御缺陷，包括科學家鉆出的額外孔。“我們能夠創造光可以通過而沒有散射損失或反射的光子結構，”王說。

這種激光以太赫茲頻率工作，這對于癌癥篩查和機場安全掃描非常有用。王和他的同事目前正在探索使用夾在一起的銦鎵砷和銦鋁砷層來發射中紅外波長的拓撲激光器，這對于檢測和分析空氣污染物、激光雷達傳感器或 5G 以外的自由空間通信等應用非常有用。然而，他指出 COVID-19 大流行推遲了實驗工作。

拓撲超導體

盡管拓撲絕緣體在其外部擁有受拓撲保護的電子或光子，但一類不尋常的被稱為拓撲超導體的超導體可能在其表面擁有難以捉摸的理論粒子，可以推動量子計算的重大進步。

拓撲超導體通常由與半導體耦合的超導金屬制成。這些材料之間的相互作用可以產生Majorana fermions，，這是它們自己的反粒子的長期理論粒子。

Majorana fermions，可以用作量子位或量子位，這是大多數量子計算機的核心——理論上可以在瞬間執行比宇宙中原子更多的計算的機器。量子比特通常是脆弱的，但拓撲超導體的Majorana fermions可以證明拓撲保護不受干擾，科學家認為這一特性可能會導致實用的量子計算機。“拓撲量子比特是人們對拓撲超導感興趣的最重要原因，”馬里蘭大學帕克分校的凝聚態理論家張瑞興說。

然而，到目前為止，還沒有確鑿的證據證明拓撲超導體或Majorana fermions的存在，張說。2018年微軟支持的一項研究聲稱找到了這兩者的有力證據，但這項工作最終在 2021 年被撤回。

盡管如此，研究人員仍對證實拓撲超導體的存在抱有希望。張和他的同事建議檢查鐵基超導體的薄膜，而其他人則建議使用石墨烯等材料。“我非常樂觀，我們將在未來幾年內實現Majorana物理學，”張說。

拓撲半金屬

拓撲半金屬就其導電或導熱能力等特性而言，介于金屬和絕緣體之間。世界各地的科學家越來越多地發現，這些材料具有非凡的特性，例如幾乎無耗散的電流以及比任何其他材料都能夠將更多的光轉化為電能的能力，這暗示了廣泛的潛在應用，例如超低電力電子設備和廢熱發電。

存在多種令人眼花繚亂的拓撲半金屬，例如狄拉克半金屬、外爾半金屬、多重費米子半金屬等，每一種在拓撲上都與其他半金屬不同。傳統半金屬可以通過溫度變化或化學成分的輕微調整輕松轉化為金屬或絕緣體，而拓撲半金屬盡管溫度或成分發生變化，但仍頑固地保持其半金屬性質。

物理學家說，就像石墨烯，電流可以在拓撲半金屬流幾乎零耗能的，有可能使他們對超低功耗的電子有用的正木內田在東京工業大學。物理學家說，與此同時，研究人員可以在理論上有所不同拓撲半金屬的厚度來調整自己的特性，而原子薄的石墨烯具有有限的厚度和設計的目的因此不太靈活。

拓撲半金屬還可以顯示出乎意料的特性，例如，在波士頓學院的物理學家肯伯奇和他的同事們發現，鉭砷化可以本質上產生的10倍以上之多電流從光作為任何其它材料。這種效應發生在中紅外光下，這表明砷化鉭可用于化學和熱成像。“你也可以想象將熱物體作為廢能發出的紅外輻射轉化為有用的電能，”伯奇說。

幾十年來，科學家們可能忽視了許多拓撲半金屬的顯著特征。麻省理工學院的理論物理學家本杰明·維德（Benjamin Wieder）和他的同事最近剛剛在單硅化鈷和類似材料中發現了這種特性 ，研究人員已經研究了近 70 年。

“拓撲材料發現和應用的未來可能不在于新材料的設計，而是。。。。。。重新發現具有被忽視特性的有趣材料，”Wieder說。“如果你知道去哪里找，下一個非常受歡迎的固態材料可能會藏在一張有70年歷史的紙里。”

編輯：jq