由浦项科技大学主办 约瑟夫森结:绿色平板是二层二层二层二层二层二层二层二层二层二层二层二层二层二层二层二层二层二层二层二层三层二层二层二层二层二层二层三层二层二层二层二层三层二层二层三层二层二层三层二层三层
信用:吉尔-李豪(邮政) 在过去的十年里，凝聚态物理领域经历了一个黄金时代，新材料和新性质的发现以及相关技术的飞速发展都归功于拓扑物理的到来
拓扑物理学在2008年随着拓扑绝缘体的发现而起飞，拓扑绝缘体是一种整体电绝缘但表面为金属的材料
从那以后，科学家们发现了更多奇异的拓扑相，包括狄拉克半金属、威尔半金属和轴子绝缘体
但是最近，在表面和边缘大量绝缘但仅在铰链或角落是金属的材料已经在理论上被预测
这些被称为高阶拓扑绝缘体的奇异新材料极其罕见，迄今为止只有铋元素被实验证明可能属于这一类
铰链状态到底是什么？想象一个盒子——比高盒子更长更宽——顶部和底部都有翻盖，你可以打开它把东西放进去
盒子内部的空间被称为体积
大多数导电材料都是散装的
然而，在拓扑绝缘体中，盒子的主体是电绝缘的，但是顶部和底部——即挡板——是金属的，并保持表面状态
对于某些材料，箱子的主体、顶部和底部是绝缘的，但侧面(边缘)是金属的
这些具有已经在磁性拓扑绝缘体中证明的边缘状态
最后，在高阶拓扑绝缘体中，盒子的主体、顶部、底部和侧面都是绝缘的，但是盒子的铰链和角是金属的，并且具有不同的铰链或角状态
这些铰链态也被预测存在于拓扑半金属中，如铋
铰链态尤其有望应用于自旋电子学的研究，因为它们的传播方向与它们的自旋速度有关，也与Majorana费米子的传播方向有关，Majorana费米子正在积极研究它们在容错量子计算中的应用
现在，一个由美国、香港、德国和韩国科学家组成的国际团队已经发现了一种新的高阶拓扑绝缘体
它是一种分层的二维过渡金属二元化合物(TMDC)，名为WTe2
这是凝聚态物理中一种著名的材料，显示了从钛磁电阻到量子化自旋霍尔效应的各种奇异性质
这是第一个二型维勒半金属的例子，这种半金属可以制成只有一层厚度的装置，可以像石墨烯一样剥离
WTe2在压力下也表现出超导性，这意味着电子形成对，超电流在没有任何阻力的情况下通过它
理论物理学家在2019年设想wt2和它的姐妹材料MoTe2是具有金属铰链态的高阶拓扑绝缘体，这进一步丰富了属性的狂欢
自那以后，世界各地的许多研究小组一直在寻找wt2和MoTe2中这些奇异状态的证据，最近的一些结果表明，在它们的边缘有额外的导电状态
但是研究人员无法确定这些状态是真正的边缘状态还是非常受欢迎的枢纽状态
在2020年7月6日发表在《自然材料》杂志上的一项研究中，由雷神BBN技术公司马扎尔·N
阿里(马克斯·普朗克微观结构物理研究所和材料思维公司
)和吉尔-李豪(浦项科技大学和亚太理论物理中心)采用了一种新的方法，利用约瑟夫森结在空间上解析超电流流，并表明wt2确实具有铰链态，是一种更高阶的拓扑绝缘体(链接到论文)
约瑟夫森结是物理学中非常重要的设备和工具
它们被用于各种技术应用，包括磁共振成像(MRI)机器以及量子位，量子位是量子计算机的组成部分
当两个超导电极(如铌)通过非超导桥(如薄膜器件中的高质量钨极)连接时，就会形成这些结
当温度足够低时，从一个铌电极注入的超电流可以通过电桥，而不会对另一个铌电极产生电阻
因此，整个装置显示零电阻，并被称为超导
然而，在保持超导性的同时，不可能有无限量的超电流通过电桥
当注入的电流超过临界电流时，结变成正常状态并表现出有限的电阻
约瑟夫森效应表明，作为外加磁场的函数，由于样品上超导波函数的相位变化，临界电流将在高值和低值之间以夫琅和费模式振荡
研究小组意识到，当超电流在样本中传播时，隐藏在振荡中的是它的位置信息
通过对夫琅和费模式进行傅里叶逆变换，研究人员能够观察到样品中的超电流，并发现它确实在WTe2装置的侧面流动
然而，这不足以区分边缘状态和铰链状态
如下图所示，由于铰链状态的基于对称性的原点中的一个怪癖，在wt2样本上并非所有铰链都是相同的
例如，样本上的左上角和右下角有金属铰链状态，但右上角或左下角没有
这不同于边缘状态，边缘状态简单地存在于样本的整个左侧和右侧
关于这一点，雷神BBN技术公司的金钟芳解释说，“我们利用了这一差异来获得优势
通过在样品的上半部分而不是下半部分连接超导电极，我们意识到如果存在铰链态而不是边缘态，我们会看到不同的夫琅和费图案
他进一步评论说，“在这种配置中，电极将只连接到铰链状态之一(即
e
左上而不是右下)，这将显示出明显的夫琅和费图案
如果有边缘状态，这种配置与连接样品的下半部分和上半部分没有任何不同，并且夫琅和费看起来是相同的
“当他们进行这项具有挑战性的实验时，他们观察到的是铰链状态的标志，而不是边缘状态
“但这还不是全部
WTe2是一种具有高各向异性的低对称性正交晶体材料
晶体中不同的方向是不等价的，我们也从理论上证明了存在于wt2中的铰链态也不都是等价的
在某些方向上，它们会混合在一起，而在其他方向上，它们不会混合在一起，”香港科技大学的金屯律师解释道
浦项科技大学的吉尔·李豪评论道:“既然在世贸中心2中发现了铰链态，那么在不久的将来，在这些化合物中将会有许多令人兴奋的物理现象有待探索。”
他补充道，“无耗散互联、真正的1D超导纳米线和自旋电子器件、拓扑超导、马略拉纳费米子和相应的拓扑量子计算机的可能性都在地平线上
" 马扎尔
马克斯·普朗克微观结构物理研究所的阿里解释说:“WTe2可能是第二种显示出具有铰链态的材料，但它与另一种候选材料铋非常不同
由于是二维的，所以可以很容易地加工成具有可控表面的纳米器件，并且可以在异质结构中层叠在其他二维材料的顶部，甚至在轻微扭曲形成莫尔超晶格时层叠在自身的顶部
他补充道，“它的姐妹材料MoTe2有望展现出相同的铰链状态，但它在低温下是一种内在的超导体。”
他总结道，“如何修改、控制和使用这些铰链状态？前方有许多令人兴奋的研究机会
"
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