量子点一维拓扑绝缘体的发现

（a）由Te螺旋链的六方排列形成的Te晶体示意图。（b）带边界电荷的单Te螺旋链。图片来源：东北大学

包括东北大学成员在内的联合研究小组推出了一种新的拓扑绝缘体（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，该TI是一维的。这一突破将导致量子点高效太阳能电池的进一步发展。

该研究的细节于2024年6月6日发表在《自然》杂志上。

TI拥有充当电绝缘体的内部，这意味着电子不容易移动;而它的表面充当电导体，电子能够沿着表面移动。

自从2000年代报道了三维TI以来，研究人员一直在寻找新的。然而，一维TI在很大程度上仍然难以捉摸。

“一维TI特别有趣，因为出现在其端点上的电荷有效地构成了量子比特-量子计算中的基本信息单位。因此对量子物理学至关重要，“东北大学理学研究生院助理教授、该研究的合著者KosukeNakayama指出。

Nakayama和他的同事们将注意力集中在碲（Te）上，这是一种半导体，其主要商业用途是太阳能电池板和热电设备。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，该团队需要观察局限于这些链端点的电荷。

（a）东北大学建造的气体团簇离子束（GCIB）系统和KEK光子工厂的带有微聚焦光学器件的角度分辨光发射光谱（ARPES）系统的照片。图片来源：东北大学（a）三维、（b）二维和（c）一维拓扑绝缘体的原理图。图片来源：东北大学这需要在不损坏结构的情况下准备干净的Te链边缘，这是通过采用新开发的气体团簇离子束（GCIB）系统实现的，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度分辨光发射光谱（ARPES）可视化电荷的空间分布。他们的调查证实，电荷确实出现在链的端点，从而支持了Te的一维TI性质。

Nakayama强调，量子点一维拓扑绝缘体的发现他们的研究标志着理解一维TI特性的关键一步，并将带来广泛的好处。“一维TI端点的电荷具有多种用途：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。

“我们发现的一维TI将有助于加速实现这些应用的研究。

更多信息：K.Nakayama等人，观察源自拓扑螺旋链的边缘状态，Nature（2024）。DOI：10.1038/s41586-024-07484-z

期刊信息：Nature