布鲁克海文国家实验室 描述拓扑表面状态的图示，在顶锥和相应底锥的顶点之间有能带隙(禁止电子的能量范围)(允许的能带，或允许电子具有的能量范围)
拓扑表面态是一种独特的电子态，仅存在于材料表面，反映了电子自旋(红色箭头)与其围绕原子核的轨道运动之间的强相互作用
当电子自旋相互平行排列时，就像这里一样，这种材料具有一种叫做铁磁性的磁性
学分:丹·内沃拉，布鲁克海文国家实验室 固体中的电子占据由间隙分隔的不同能带
能带隙是一个电子“无人区”，一个不允许有电子的能量范围
现在，科学家们研究了一种含铁、碲和硒的化合物，发现在材料表面两个允许的能带相交处有一个能隙打开
当他们冷却材料并用激光探测其电子结构时，他们观察到了这种意想不到的电子行为
他们的发现发表在《美国国家科学院院刊》上，可能会对未来的量子信息科学和电子学产生影响
这种特殊的化合物属于铁基高温超导体家族，最初发现于2008年
这些材料不仅在相对较高的温度下(但仍然非常冷)比其他种类的超导体无电阻导电，而且还表现出磁性
“有一段时间，人们认为超导性和磁性会相互对抗，”第一作者纳德·扎基说，他是美国大学凝聚态物理和材料科学部电子光谱学组的科学助理
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能源部布鲁克海文国家实验室
“我们探索了一种两者同时发展的材料
" 除了超导性和磁性之外，一些铁基超导体有合适的条件来承载“拓扑”表面状态
这些位于表面的独特电子态的存在(它们不存在于大部分材料中)反映了电子的自旋与其围绕原子核的轨道运动之间的强相互作用
“当你有一个具有拓扑表面特性的超导体时，你会对拓扑超导的可能性感到兴奋，”相应的作者彼得·约翰逊说，他是电子光谱学小组的组长
拓扑超导性有可能支持Majorana费米子，它可以作为量子比特，量子计算机的信息存储构件
" 量子计算机有望大幅提高计算速度，而这在传统计算机上是不切实际或不可能的
实现实用量子计算的挑战之一是量子比特对环境高度敏感
小的相互作用导致它们失去量子态，因此存储的信息也就丢失了
理论预测存在于超导拓扑表面状态的Majorana费米子(受追捧的准粒子)不受环境干扰，使它们成为鲁棒量子位的理想平台
扎基、约翰逊和他们的同事将铁基超导体视为一系列奇异和潜在重要现象的平台，开始理解拓扑、超导和磁性的作用
CMPMS部门的高级物理学家根达古首先生长出高质量的铁基化合物单晶
然后，扎基通过基于激光的光电发射光谱绘制了材料的电子能带结构
当激光聚焦到材料上的一个小点上时，表面的电子被“踢出”(即
e
光电发射的)
然后可以测量这些电子的能量和动量
当他们降低温度时，令人惊讶的事情发生了
扎基说:“正如我们所料，这种材料变成了超导材料，我们看到了与之相关的超导缺口。”
“但我们没想到的是拓扑表面态在狄拉克点打开了第二个缺口
你可以把这种表面状态的能带结构想象成一个沙漏或两个顶点相连的圆锥体
这些圆锥相交的地方称为狄拉克点
" 正如约翰逊和扎基解释的那样，当狄拉克点出现缺口时，这是时间反转对称性被打破的证据
时间反转对称意味着，无论你看着一个系统在时间上前进还是后退，物理定律都是一样的——类似于倒回一个视频，看到同样的事件顺序在反转
但是在时间反转的情况下，电子自旋会改变方向，打破这种对称性
因此，打破时间反转对称性的方法之一是发展磁性——特别是铁磁性，一种所有电子自旋以平行方式排列的磁性
约翰逊说:“系统正在进入超导状态，磁性似乎也在发展。”
“我们必须假设磁性在表面区域，因为在这种形式下，它不能在整体中共存
这一发现令人兴奋，因为这种材料有许多不同的物理特性:超导性、拓扑结构，现在还有磁性
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了解这些现象是如何在材料中出现的，可以为许多令人兴奋的新技术方向提供基础
" 如前所述，这种材料的超导性和强自旋轨道效应可以用于量子信息技术
或者，这种材料的磁性和强大的自旋轨道相互作用可以实现电子设备中电流的无耗散(无能量损失)传输
这种能力可以用来开发低功耗的电子设备
合著者阿列克谢·茨韦利克(Alexei Tsvelik)是CMPMS部门凝聚态理论小组的高级科学家和组长，吴从军是加州大学圣地亚哥分校的物理学教授，他们就时间反转对称性如何被打破以及磁性如何起源于表面区域提供了理论见解
吴说:“这一发现不仅揭示了拓扑超导态和自发磁化之间的深层联系，而且为铁基超导体中超导隙函数的性质提供了重要的见解——这是强关联非常规超导体研究中的一个突出问题。”
在另一项与CMPMS部门其他合作者的研究中，实验小组正在研究样品中三种元素的不同浓度是如何对观察到的现象做出贡献的
看起来，拓扑效应需要碲，过多的铁会破坏超导性，而硒会增强超导性
在随后的实验中，该团队希望用其他方法验证时间反转对称性破缺，并探索化合物中的替代元素如何改变其电子行为
“作为材料科学家，我们喜欢改变混合物中的成分，看看会发生什么，”约翰逊说
“目标是找出这些复杂材料中超导性、拓扑结构和磁性是如何相互作用的
"
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