美国研制出奇特的拓扑超导体材料

2010-11-04 11:03 来源: 中国科学院
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  3年前,美国普林斯顿大学的一个研究小组发现了三维拓扑绝缘体,这是一种金属表面的奇怪绝缘体,虽然它独特的属性具有很大应用潜力,但用于量子计算机却并非理想材料。两年来,科学家经过不断探索,完全扭转其性质,使之成为表面是金属、内部却具有超导性的拓扑超导体。这种新材料的发现有望发展出新一代电子学,使当前的信息存储与处理方式完全改观。

  表面是金属 内部是超导体

  据美国物理学家组织网11月3日(北京时间)报道,普林斯顿大学扎西德·哈桑领导的研究小组发现了一种具有“双重性格”新型晶体材料:在极低温度下,晶体内部表现与普通超导体类似,能以零电阻导电;同时,它的表面是仍有电阻的金属,能传输电流。相关成果发表在最新一期《自然·物理学》杂志上。

  实验中,为了评价新晶体材料的性能,研究人员利用X光谱进行分析,通过研究X射线轰击出来的单个电子来确定晶体的真实属性,测试发现生成的是一种拓扑超导体。研究人员进一步在晶体的表面发现了不同寻常的电子,其表现得像轻子。由于哈桑小组去年曾经第一次直接观察到了一种被称为螺旋状狄拉克费米子的电子,此时他们立刻认出了这种电子就是科学家长期寻找的马拉约那费米子(Majorana fermions)。

  而宾夕法尼亚大学物理学家查尔斯·凯恩预测,如果一种拓扑超导体取代了一种拓扑绝缘体,把这种混合材料置于强磁场中时,其边界电子将变成马拉约那费米子。由于这种新晶体材料囊括了金属、绝缘体和传统超导体等多重“身份”,如何根据电子状态来将它归类让科学家困惑不已。哈桑表示,拓扑超导体除了表面是金属以外,其他部分都是超导体,这将给我们带来许多应用前景。

  把绝缘体变成超导体

  2007年,哈桑领导的研究小组发现了三维拓扑绝缘体硒化铋。在过去的两年中,研究小组扭转了硒化铋的属性,使其变成了表面是金属、内部为超导体的材料,这种属性就很适合于未来电子学的开发。

  为了使超导体具有拓扑性质,参与研究的普林斯顿大学化学教授罗伯特·卡瓦把铜原子嵌入硒化铋半导体的原子晶格中,发明了一种新晶体。这一过程称为半导体掺杂,是一种改变材料电子数量的方法,用来转变其电性。结果发现,在低于4K(约零下269摄氏度)的温度下,合适的嵌入数量能将晶体转变成一种超导体。但美中不足的是,根据最初的实验结果,超导体无法长久保持其拓扑性质,在真空中仅能保持几个月。

  加州大学伯克利分校物理副教授约尔·摩尔说,从理论上而言,如果一种拓扑绝缘体变成了拓扑超导体,它会具有一些超常的性质,最异类的就是出现马拉约那费米子。由普通原子核和电子构成的固体能“生成”具有特异性质的粒子,比如分数电荷,但马拉约那费米子是零质量零电荷,这可能是最奇怪的。尽管还没有能检测拓扑超导体的工具,但哈桑的研究在正确的方向上迈进了一大步。

  应用还需再等几十年

  量子计算机使用次原子粒子“量子”来存储和处理信息。量子计算机将来能以远远超过今天传统计算机的速度来操作数据,然而,研制更高性能量子计算机的努力,却由于量子行为的不确定而受到阻碍。如果多个马拉约那费米子的运动能被预测,拓扑量子计算机用它们来存储信息将是容错的,即计算机能“知道”自己在执行对错计算时是否出现了错误。

  “从新物理学发展到新技术应用需要很长时间,通常要20年到30年时间。”哈桑介绍说,拓扑超导体最激动人心的应用就是高能量子计算机,它能在计算中发现错误,一旦出错就会在信息处理过程中产生抵抗。他解释说,普通电子带负电荷,而马拉约那费米子是中性的,它不会被附近的粒子、原子吸引或排斥,它们的行动就是可预测的,有着预定的轨迹,这是它们真正的潜能所在。

  哈桑也称,这种具有双重电子特性的新型超导材料,可以被认为是一种特殊的绝缘体。“我们可以利用这一点来‘哄骗’电子嗖嗖地跑到它的表面上,变成马拉约那费米子。”

  “这些超导体是产生和控制马拉约那费米子的理想育儿所。”论文第一作者L·安德鲁·雷说。由于粒子是存在于超导体中的,能以低能耗装置来控制,不仅环保,也避免了当前硅材料不可避免的过热问题。

  目前,研究小组还在鉴别其他种类的拓扑超导体和拓扑绝缘体。关于进一步的研究,哈桑和他的团队表示将继续检测马拉约那费米子,找出控制它们性质的方法。他们的两个重要目标,一是找到高温超导的拓扑材料,二是开发内部高度绝缘的拓扑绝缘体。