直接测量超薄拓扑绝缘子的电性能

用四尖扫描隧道显微镜测量。图片来源:Forschungszentrum Jülich / Vasily Cherepanov

Forschungszentrum Jülich的物理学家在实现新型电子元件方面迈出了重要的一步。使用一种特殊的四尖扫描隧道显微镜，他们第一次能够直接测量超薄拓扑绝缘体中存在的非凡电性能。这些特性是电子自旋与电流方向耦合的结果，并使拓扑量子计算机得以实现。

退相干量子位(简称量子位)是构建实用量子计算机的主要障碍之一。所谓的拓扑量子计算机被认为是解决这个问题的一种优雅而有前途的方法。在这样的计算机中，敏感的量子信息通过选择特定的材料得到了特别好的保护，不受误差的影响。然而，到目前为止，这个概念主要只存在于纸面上。寻找具有适当属性的材料系统的工作仍在全力进行中。

实现拓扑量子计算机的一种方法是基于拓扑绝缘体的使用，这是一类具有特殊性质的新材料:它们在内部表现得像绝缘体，也就是说，它们在那里不导电。然而，它们的表面是导电的，电流的方向与载流子的自旋严格耦合。

量子计算机和自旋电子学材料

一个特殊的例子是几年前才发现的三维拓扑绝缘体。如果把它们想象成一个立方体，它们的六面都是导电的。然而，当拓扑绝缘体立方体变得越来越薄时，相反表面的导电性就会下降，正如Jülich的Peter Grünberg量子纳米科学研究所的研究人员现在能够证明的那样。最后剩下的是一个只有几纳米厚的薄层，它有四条导电边，电流在这四条边上继续以自旋方向流动。

由于其特殊的性质，这种超薄拓扑绝缘体是自旋电子学应用的有趣材料，也就是说，用于开发利用电子自旋来处理和存储信息的组件和设备。与超导体结合，它们有望进一步实现更奇异的效应，这些效应可用于拓扑量子计算机。

用“纳米万用表”做实验

为了测量，研究人员使用了一种特殊的有四个尖端的扫描隧道显微镜。该仪器是在Forschungszentrum Jülich开发的，它使在高纯度条件下对极其小的结构进行电测量成为可能。研究人员还使用了一种新方法，使测量尖端的定位更加精确，精度仅为几纳米。

利用“纳米万用表”，研究人员第一次证明了薄膜的纳米级电学特性与理论预测的一致。这种观察对于深入理解拓扑绝缘子是很重要的，对于其进一步发展的潜在应用也是至关重要的。

这项研究发表在《先进量子技术》杂志上