马克斯·普朗克学会 它由六个狄拉克锥(位于虚线圆上)组成，代表与1D线性光谱(中间的X)共存的晶体拓扑状态，代表阶梯边缘的螺旋金属通道
信用:MPI CPfS 这是一个关于一种独特材料的故事——由单一化合物制成，它在不同的表面以不同的方式传导电子，而在中间完全不传导
这也是三个研究小组的故事——两个在魏茨曼科学研究所，一个在德国，以及他们之间形成的独特纽带
这种材料属于一组被称为拓扑绝缘体的材料，是15年前发现的
这些材料表面导电，内部绝缘
但是这两个属性是不可分割的:切割材料，新的表面将是导电的，大部分将保持绝缘
大约五年前，博士
努里特·阿夫拉汉姆最初是博士新团队中的一名员工科学家
该研究所凝聚态物理系的海姆·贝登科普夫
大约在那个时候，她和贝登科普夫遇到了教授
阎炳海第一次对魏茨曼研究所进行科学考察时
那时候，严是教授团队的初级组长
克劳迪娅·费尔瑟是一名材料科学家，她在德累斯顿马克斯·普朗克固体化学物理研究所的实验室里开发新型拓扑材料
贝登科普夫和他的团队专门在单原子和单电子路径的尺度上对这些材料进行分类和测量，而严则转向理论——预测这些材料应该如何表现，并建立数学模型来解释它们不同寻常的行为
艾弗拉姆和贝登科普夫对揭示一种特殊拓扑绝缘体的性质很感兴趣，这种绝缘体的化学结构是分层组织的
这些层会如何影响电子在材料表面的传导方式？理论上，二维拓扑绝缘体的堆叠层被期望形成三维拓扑绝缘体，其中一些表面是导电的，一些是绝缘的
严建议他们使用一种新材料，这种新材料是他预测出来的，后来在费尔瑟的实验室里开发出来
很快，魏茨曼和马克斯·普朗克小组开始合作
阿夫拉汉姆领导了这个项目，他从费尔瑟的实验室获得了材料样本，进行了测量，并与严合作，观察理论预测是否会在实验中得到证实
随着合作的深入，贝登科普夫和艾夫拉汉姆得到了物理系的邀请，再次来到研究所，这次访问最终导致严离开德国，并把他的家人转移到勒霍沃特研究所的凝聚态物理系任职
“这个决定是一个转折点，它将使我走上目前的职业道路，”阎说
在接下来的几年里，贝登科普夫、艾弗拉罕、严和费尔瑟将在多个研究项目上展开合作，探索几种拓扑材料的性质
但是了解这种特殊的物质——铋、碲和碘的化合物——将是一项长期的工程
首先，严分析了这种材料的能带结构——换句话说，就是电子“被允许”存在的状态
当带在体中交叉时，处于一种叫做带反转的状态，它们阻止电子在内部移动，但使它们能够在表面移动
这种从材料本体中产生的状态“投射”到表面上，赋予了拓扑材料特殊的性质
阿夫拉汉姆和贝登科普夫研究了被劈开的样品，暴露出层状结构的新表面
他们在实验室使用扫描隧道显微镜来追踪材料不同部分的电子密度
该理论预测，表面测量将揭示一种表现为弱拓扑绝缘体的材料，因此边缘是金属的，顶部和底部表面是绝缘的
弱拓扑绝缘体是一类拓扑材料，以前已经预测过，但还没有实验证明，所以该小组希望在边缘表面发现这样的特性
研究人员确实发现，这种材料在其裂缝边上起到了弱拓扑绝缘体的作用
但是在他们样本的顶部和底部，该小组发现了证据，表明一个强拓扑绝缘体，而不是之前预测的绝缘体
这种材料不仅能同时绝缘和导电，还能以两种不同的方式导电吗？当研究人员继续进行实验，用不同的方法测试材料并确认他们最初的结果时，他们继续对严的奇怪结果感到困惑
阿夫拉罕说，有一次，他们甚至测量了一批由朱尼尔教授独立培育的新样本
安娜·艾塞瓦和博士
德累斯顿技术大学的亚历山大·泽格纳，只是为了确保结果是一般性的，而不是某一特定批次样品的偶然属性
闫说，他们最终的突破部分来自于另一个物理小组发表的理论研究论文，该论文推测了这种双重材料可能的功能
拓扑材料有时是根据它们的对称性分类的——对称性是材料原子结构的一种特性
科学家们在表面上寻找由于表面上的缺陷或不规则性而破坏这种对称性的地方，这些缺陷或不规则性通过散射电子会影响该点的性质，并突出保护每个拓扑状态的对称类型
最后，理论和实验结合在一起，在《自然材料》杂志上发表的一篇文章中表明，这种材料实际上是两种不同的拓扑绝缘体合二为一
裂缝侧面的暴露层形成“阶梯边缘”，引导电子进入特定路径
虽然侧面受到时间反转和平移对称性的保护，但顶部和底部受到晶体镜对称性的保护，从而产生电子可以移动的类似金属的状态
虽然这种二合一的组合使得对材料进行拓扑分类变得很有挑战性——这是这种测量的主要目标之一——但研究人员认为，其他新的拓扑材料也可能具有这样的双重特性
这使得工程材料有可能同时具备多种所需的电气特性
“从技术上讲，这项工作很有挑战性，但故事本身却很简单，”阎说
“这也是一个伟大友谊的故事，以及当你能有如此密切的科学合作时会发生什么，”艾弗拉姆说
贝登科普夫补充道:“这一切都是从一个关于某种特定材料的问题开始的。”
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