2020年6月11日
这是关于一种独特材料的故事——由单一化合物组成，它在不同的表面以不同的方式传导电子，而在其中间则完全不传导。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。亚博老虎机网登录
这种材料属于十五年前发现的一组被称为拓扑绝缘体的材料。这些材料在其表面亚博网站下载上导电，在其内部“块体”中绝缘。但这两个特性是不可分割的：切割材料，新表面将导电，块体将保持绝缘。
大约五年前，努尔特·亚伯拉罕(Nurit Avraham)博士开始在该研究所凝聚态物理系(Condensed Matter Physics Department)的海姆·贝登科普夫(Haim Beidenkopf)博士的新团队中担任助理科学家。大约在那个时候，她和贝登科普夫在阎丙海教授第一次到魏茨曼研究所进行科学考察时遇到了他。
当时，她在德累斯顿马克斯普朗克固体化学物理研究所(Max Planck Institute for Chemical Physics of固体)实验室开发新型拓扑材料的材料科学家克劳亚博网站下载迪娅·费瑟(Claudia Felser)教授的团队中担任初级组长。
Beidenkopf和他的团队专门在单个原子和单个电子路径的尺度上对这些材料进行分类和测量，而Yan则转向理论——预测这些材料应该如何表现，并亚博网站下载计算出解释它们不寻常行为的数学模型。
Avraham和Beidenkopf对发现一种特殊类型的拓扑绝缘体的特性很感兴趣，这种绝缘体的化学结构是分层排列的。这些层将如何影响电子在材料表面的传导方式?——理论上，二维拓扑绝缘体层的叠加有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。
阎建议他们使用一种新材料进行研究，这种材料是他预测的，后来在菲尔瑟的实验室开发出来的。不久，魏茨曼和马克斯·普朗克小组开始合作。
亚伯拉罕领导了这个项目，从Felser的实验室获取了材料样本，进行了测量，并与Yan合作，看看理论的预测是否会在实验中得到证实。
随着合作的深入，贝登科普夫和亚伯拉罕得到了物理系的邀请，这次访问最终导致闫决定离开德国，举家搬到雷霍沃特，在该研究所的凝聚体物理系任职。“那个决定是一个转折点，它将使我走上目前的职业道路。”说燕。
在接下来的几年里，Beidenkopf、Avraham、Yan和Felser将在多个研究项目上合作，探索几种不同类别的拓扑材料的特性。亚博网站下载但了解这种特殊的物质——铋、碲和碘的化合物——将是一个长期的项目。
首先，严分析了材料的能带结构——换句话说，电子“允许”居住的状态。当这些带在体中交叉时——所谓的“带反转”——它们阻止电子在内部移动，但使它们能够在表面上移动。这种在材料的主体上产生的状态在表面上的“投影”赋予了拓扑材料特殊的属性。亚博网站下载
亚伯拉罕和贝登科普夫研究了被切割的样品，从分层结构中露出新鲜的表面。他们在实验室使用了扫描隧道显微镜(STM)来跟踪这种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已被预测但尚未被实验证明的拓扑材料，因此研究小组希望揭示边缘表面的这种特征特性。亚博网站下载
研究人员确实发现，这种材料在其裂缝两侧起到了弱拓扑绝缘体的作用。但是在他们的样品的顶部和底部，研究小组发现了一个强有力的拓扑绝缘体的证据，而不是先前预测的绝缘体。
这种材料是否不仅具有绝缘和导电功能，还具有两种不同的导电方式?研究人员继续进行实验，用不同的方法测试这种材料，并确认他们最初的结果，他们和阎一起继续对奇怪的结果感到困惑。
亚伯拉罕说，他们一度甚至测量了由德累斯顿理工大学(Technische Universitaet Dresden)的初级教授安娜·伊萨耶娃(Anna Isaeva)和亚历山大·佐格纳(Alexander Zeugner)博士独立培养的一批新样品，只是为了确保结果是普遍的，而不是某一批样品的偶然性质。
Yan说，他们最终的突破部分来自于另一个物理小组发表的一篇理论研究论文，该论文推测了这种双重材料可能的功能。拓扑材料有时根据其对称性亚博网站下载进行分类，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这种对称性会被打破的地方，因为表面上的缺陷或不规则，通过散射电子，会影响那个点的性质，并突出“保护”每个拓扑状态的对称性类型。
最后，理论和实验在一篇发表于自然材料亚博网站下载这种材料实际上是两种不同的拓扑绝缘体的合体。暴露的裂缝层、侧面形成“台阶边缘”，引导电子进入特定的路径。当两侧受到时间反转和平移对称的保护时，顶部和底部则受到晶状体镜像对称的保护，从而产生一种电子可以移动的类金属状态。
虽然这种二合一的组合使得对材料进行拓扑分类(这是此类测量的主要目标之一)具有挑战性，但研究人员相信，其他新的拓扑材料也可能具有这样的双重属性。亚博网站下载这使得工程材料有可能同时具备多种理想的电性能。亚博网站下载
“从技术上讲，这项工作很有挑战性，但故事本身很简单，”严说。
“这也是一段伟大友谊的故事，以及当你有如此密切的科学合作时会发生什么，”亚伯说。
“这一切都是从一个关于某种材料的问题开始的”Beidenkopf补充道。
资料来源：https://www.cpfs.mpg.de/en