量子技术新材料

锰硅的电子能带结构的变化导致样品（明亮立方体）的磁性能发生变化。这些可以使用高灵敏度悬臂扭矩传感器（棕色）进行测量。图片来源：Matthias Dodenhöft/TUM

虽然传统的电子学依赖于电子的传输，但单独传送自旋信息的元件可能比传统电子学更节能许多倍。慕尼黑理工大学（TUM）和斯图加特马克斯普朗克固态研究所的物理学家们现在已经在开发用于此类元件的新型材料方面取得了重要进展。这些材料也可能是量子计算机的关键，因为量子计算机不易受到干扰。

15年前，人们发现了第一批代表性的新型材料拓扑绝缘体，人们对此寄予厚望。研究人员预测，这些材料独特的电子结构将在其表面产生特殊的性能，如高效的信息传输，这将有助于新型电子元件的广泛应用。

但到目前为止，这些可能性还不能在应用程序中轻易修改和控制。尽管作出了最大的努力，但技术开发仍将持续很长时间。由于慕尼黑技术大学（Technical University of Munich University of Munich）相关系统拓扑学教授克里斯蒂安·普莱德里尔（Christian Pfleiderer）领导的团队的发现，这种情况可能即将改变。

寻找过境点

在原子中，电子占据了各种原子轨道，达到了最大能量。每个轨道对应于一个固定的能级。固体中的原子轨道是重叠的能量水平取决于电子的运动方向和波长。不同运动方向和波长的能级在一个称为能带的特征范围内变化。

虽然原子轨道的能级以特定的顺序增加，但在固体中，源于不同原子轨道的能级的顺序也可能颠倒，这取决于电子的运动方向和波长。

最初与不同轨道有关的能级的方向可能因此在某些运动方向和波长上相交。换句话说，不同轨道相交处的能量是相同的。特别是在这些交叉点上，电子的导电性是在这些交叉点上出现的。物理学家把这个能级称为费米能量。

拓扑材料的发现

自20世纪30年代以来，人们就知道了真实物质能带之间的交叉点。然而，除极少数情况外，它们被电子的相互排斥所抵消。这种效应会导致能量带在预期的交叉点处出现缺口。由于所有已知的能带结构交叉的例子都发生在远离费米能量的地方，它们被认为只是一件微不足道的奇事。

所有这些都随着拓扑绝缘体的发现而改变，在这种绝缘体中，物质表面的电子结构产生了费米能量的交叉。进一步的观察发现，由于电子的量子力学波函数的独特性质，这些交叉点特别稳定，它阻止了通过电子排斥的抵消。

在不损失能量的情况下传输信息

拓扑绝缘体表面的交叉总是在费米能级上，这导致了导电性的特殊性质，使得电荷和自旋信息能够在不损失能量的情况下传输。然而，很快就发现，拓扑绝缘体对材料杂质非常敏感，这有效地缩短了表面特性，阻碍了有用的技术实现。

然而拓扑绝缘体引发了一场密集而系统的研究，最终发现了许多材料内部能带之间的拓扑交叉。例如Weyl金属、Dirac金属和Chern绝缘体等。科学家们预计，这些材料内部的交叉将导致表面的特殊性质，这些特性可用于技术开发。

不幸的是，研究人员无法预测任何已知材料的拓扑交叉是否完全在费米水平。这是因为到目前为止已知的交叉点只发生在离散点或沿着特定的线，这意味着它们只是偶然地与费米能级重合。

但最后一点对技术开发至关重要。此外，在应用程序中，能够通过简单的方法打开和关闭交叉点似乎完全是遥不可及的。

可由磁场切换的

以马克王尔德博士为首的普莱德里尔教授团队的科学家们现在已经证明，有些材料的平面上的能带总是成对通过。这些被称为节面，使得费米能级的交叉点定位变得容易。它们总是正好位于导带边穿过这样一个平面的地方。第一个例子是锰硅单晶。

与斯图加特马克斯普朗克固体研究所的安德烈亚斯·施耐德博士一起，研究小组成功地阐明了这种行为的理论基础。

安德烈亚斯施奈德说：“一个重要的先决条件是存在所谓的‘非对称’对称性。在锰硅中，这是原子排列的扭曲。”。“但这还不是全部，”马克·王尔德说，“我们还能够证明，这种材料中的磁化能消除至关重要的对称性，从而消除节面。磁化方向实际上就像一把剪刀，我们可以用来剪断莫比乌斯带。”

基于这一认识，安德烈亚斯·施奈德和他在斯图加特的同事们对所有已知的晶体结构类别进行了全面分析，以确定具有相同性质的晶体结构。这是今后有针对性地搜索可比材料的基础。

非同寻常的特性，显著的好处

“以锰硅为例，结合最近发展起来的理论原理，我们现在可以齐心协力地选择和优化材料，”克里斯蒂安·普莱德勒说。“这些新材料不仅能使电子器件更节能，而且能使我们利用外部磁场控制节面上的磁化效应的全新应用。”

“这样，”普莱德勒希望，“这些材料甚至可以促进拓扑结构量子计算未来。由于交叉点的特性，相应的qbit对干扰的敏感性要小得多。在此基础上建造的量子计算机甚至可以摆脱在接近绝对零度的温度下运行的要求。

这项研究发表于自然.