（a） 由Te螺旋鏈的六方排列形成的Te晶體示意圖。（b） 帶邊界電荷的單Te螺旋鏈。圖片來源：東北大學
包括東北大學成員在內的聯合研究小組推出了一種新的拓撲絕緣體（TI），這是一種不同於傳統金屬、絕緣體和半導體的獨特物質狀態。
與大多數已知的三維或二維 TI 不同，該 TI 是一維的。這一突破將導致量子點高效太陽能電池的進一步發展。
該研究的細節於2024年6月6日發表在《自然》雜誌上。
TI 擁有充當電絕緣體的內部，這意味著電子不容易移動;而它的表面充當電導體，電子能夠沿著表面移動。
自從 2000 年代報道了三維 TI 以來，研究人員一直在尋找新的。然而，一維TI在很大程度上仍然難以捉摸。
“一維TI特別有趣，因為出現在其端點上的電荷有效地構成了量子位元 - 量子計算中的基本資訊單位。因此對量子物理學至關重要，“東北大學理學研究生院助理教授、該研究的合著者Kosuke Nakayama指出。
Nakayama和他的同事們將注意力集中在碲（Te）上，這是一種半導體，其主要商業用途是太陽能電池板和熱電裝置。最近的理論預測表明，單螺旋鏈實際上可能是一維TI。為了驗證這一點，該團隊需要觀察侷限於這些鏈端點的電荷。
（a）東北大學建造的氣體團簇離子束（GCIB）系統和KEK光子工廠的帶有微聚焦光學器件的角度分辨光發射光譜（ARPES）系統的照片。圖片來源：東北大學
（a）三維、（b）二維和（c）一維拓撲絕緣體的原理圖。圖片來源：東北大學
這需要在不損壞結構的情況下準備乾淨的Te鏈邊緣，這是透過採用新開發的氣體團簇離子束（GCIB）系統實現的，該系統可以將表面修改到奈米以內。
然後，他們使用帶有微聚焦光束的角度分辨光發射光譜（ARPES）視覺化電荷的空間分佈。他們的調查證實，電荷確實出現在鏈的端點，從而支援了Te的一維TI性質。
Nakayama強調，他們的研究標誌著理解一維TI特性的關鍵一步，並將帶來廣泛的好處。“一維TI端點的電荷具有多種用途：量子位元、高效太陽能電池、高靈敏度光電探測器和奈米電晶體。
“我們發現的一維TI將有助於加速實現這些應用的研究。
更多資訊：K. Nakayama 等人，觀察源自拓撲螺旋鏈的邊緣狀態，Nature （2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07484-z
期刊資訊： Nature
