蓋世汽車訊 基于自旋電子學的物理系統未來可能取代一眾電子系統。為了實現這一突破性飛躍，將電子限制在一維空間的材料組件備受關注。據外媒報道，研究人員首次以特殊的鉍基晶體的形式創造了一種材料，這種晶體被稱為高階拓撲絕緣體。

圖片來源：東京大學）

為了開發自旋電子器件，需要設計新材料，以利用生活中尚未發現的量子行為。你可能很熟悉導體和絕緣體，它們分別傳導或限制電子流動。半導體也很常見，它們通常是絕緣的，但在某些情況下會導電，由此成為理想的微型開關。

在自旋電子學應用中，需要使用一種名為拓撲絕緣體的新型電子材料。與其他三種材料不同，這種材料整體絕緣，只沿表面導電。它并不傳導電子流，而是電子的自旋或角動量。眾所周知，這種自旋電流可能成為打開新世界的鑰匙，用于制造超高速和低功耗設備。

然而，拓撲絕緣體的性能并不是完全一致，比如強弱之分，當然也存在一些缺點。比如，在沿著整個表面傳導自旋時，參與電子往往會發生散射，從而削弱其傳遞自旋電流的能力。最近，東京大學固態物理研究所的研究團隊首次研制出一種高階拓撲絕緣體。這是第三種拓撲絕緣體，自2017年已出現相關理論。Takeshi Kondo教授表示：“我們用鉍元素制造了一種高階拓撲絕緣體，可以只沿著拐角邊緣傳導自旋電流，基本呈一維線。由于自旋電流是一維的，而非二維，所以電子不會散射，使其保持穩定。

為了開發這種三維晶體，Kondo及其團隊以某種方式將單原子厚度二維晶體片堆疊在一起。無論強或弱拓撲絕緣體，堆疊晶片均沿相同方向排列。然而，為了構建高階拓撲絕緣體，晶片的方向交替出現，如同正反面相對的撲克牌。這種微妙的排列變化，使所開發出的三維晶體發生巨大變化。

堆疊晶片通過名為范德華力（van der Waals force）的量子力聚在一起。這是罕見的量子現象之一，在晶體中將各層粘合在一起。在一定程度上，可以解釋粉末材料為何聚集在一起，并以其方式流動。Kondo表示：“拓撲性質的出現和消失，僅僅取決于二維原子片的堆疊方式，這一點發現讓人感到興奮。這讓材料設計更加自由，將帶來新的想法，如快速高效的自旋電子器件等應用�！�