实现所谓的拓扑材料 - 具有异国情调，抗缺陷性能，并有望应用于电子，光学，量子计算和其他领域 - 开辟了材料发现的新领域。
迄今为止，一些热门研究的拓扑材料被称为拓扑绝缘体。他们的表面预计会以非常小的电阻导电，有点类似于超导体，但不需要令人难以置信的寒冷温度，而它们的内部 - 所谓的“大块”材料 - 不导电。
现在，在能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)工作的一组研究人员发现了最强的拓扑导体，其形式为具有螺旋楼梯结构的薄晶体样品。该团队对水晶的研究，称为拓扑手性晶体，在3月20日的“自然”杂志上有报道。
作为最新研究焦点的晶体样品中的DNA样螺旋结构或螺旋体表现出手性或“手性” - 因为人可左手或右手，左手是右手镜像。某些情况下的手性特性可以翻转，就像左撇子成为惯用右手的人一样。
“在这项新工作中，我们基本上证明了这是一种新的量子物质状态，它也表现出近乎理想的拓扑表面特性，这是由于晶体结构的手性而产生的，”M. Zahid Hasan，一种拓扑材料说。作为伯克利实验室材料科学部门的访问教师科学家，领导材料理论和实验的先驱。哈桑也是普林斯顿大学的Eugene Higgins物理学教授。
定义拓扑导电性的特性 - 与材料表面的电导率相关 - 被测量为比先前确定的拓扑金属中观察到的大约100倍。
这种被称为表面费米弧的特性在伯克利实验室的高级光源(ALS)的X射线实验中使用称为光电发射光谱的技术揭示。ALS是一种同步加速器，可产生强光 - 从红外到高能X射线 - 可进行数十次同步实验。
拓扑是一种成熟的数学概念，即使物体以其他方式拉伸或变形，也与物体的几何属性的保存有关。它在3D电子材料中的一些实验应用 - 例如发现材料电子结构中的拓扑行为 - 仅在十多年前才实现，伯克利实验室早期和持续的贡献。
“经过12年多的拓扑物理和材料研究，我确实认为这只是冰山一角，”哈桑补充道。“根据我们的测量结果，这是任何人发现的最坚固，受拓扑保护的导体金属 - 它将我们带到了一个新的前沿。”
拓扑保护意味着即使材料不完美，某些材料的属性也是可靠的。该质量还支持这些类型材料的实际应用和可制造性的未来可能性。
参与理论和实验工作的普林斯顿研究员Ilya Belopolski指出，所研究的晶体的一个特别有趣的特性 - 包括钴 - 硅和铑 - 硅晶体 - 是它们可以产生固定强度的电流当你照亮它们时。
“我们之前的理论表明 - 基于我们现在观察到的材料的电子特性 - 电流将固定在特定值，”他说。“无论样品有多大，或者它是否脏，都无关紧要。这是一个普遍的价值。棒极了。对于应用程序，性能将是相同的。“
在以前在ALS的实验中，Hasan的研究小组揭示了一种称为Weyl费米子的无质量准粒子的存在，这种粒子在理论上已经存在了大约85年。
Weyl费米子在半金属的合成晶体中被观察到，称为砷化钽，具有与最新研究中使用的晶体相似的电子特性，但缺乏其手性特征。半金属是具有一些金属和一些非金属性质的材料。
“我们早期关于Weyl半金属的研究为研究异国拓扑导体铺平了道路，”哈桑说。2017年11月的一项研究侧重于围绕这些特殊材料的理论，Hasan的团队预测，铑 - 硅中的电子和许多相关材料的表现非常不寻常。
该团队预测，材料中的准粒子 - 由电子的集体运动描述 - 像无质量电子一样出现，应该表现得像减速的3D粒子光，具有明确的手性或手性特征，不像拓扑绝缘体或石墨烯。
此外，他们在2018年10月1日发表在“自然材料”杂志上的计算结果表明，晶体中的电子在它们的运动中表现得就像它们是磁单极子一样。磁单极子是具有单个磁极的假设粒子 - 就像没有南极的地球一样可以独立于北极移动。
Hasan指出，所有这些不同寻常的拓扑行为都指向晶体样品的手性特性，这些晶体样品产生螺旋或“螺旋”电子结构，如实验中所观察到的。
所研究的样品含有高达几毫米的晶体，由几个国际资料提前准备。这些晶体的特点是普林斯顿拓扑量子物质和高级光谱实验室的Hasan小组，使用低温扫描隧道显微镜扫描原子级样品，然后将样品运送到伯克利实验室。
在ALS研究之前，样品在伯克利实验室的分子铸造厂(一家纳米级科学研究机构)进行了专门的抛光处理。普林斯顿大学的研究人员丹尼尔·桑切斯和泰勒·科克伦说，这些研究的样本通常是“裂开的”或破裂的，因此它们是原子级平坦的。
但在这种情况下，晶体结合非常强，因为晶体具有立方体形状。因此，团队成员与Molecular Foundry的工作人员合作，在晶体样品上喷射高能氩原子，对其进行清洁和压平，然后通过加热过程对样品进行重结晶和抛光。
研究人员在ALS(Beamline 10.0.1和Beamline 4.0.3)上使用两种不同的X射线光束线来揭示晶体样品的不寻常的电子和自旋特性。
因为样品中的电子行为似乎模仿了晶体结构中的手性，Hasan说还有许多其他途径需要探索，例如测试超导性是否可以通过其他材料转移到拓扑导体上。
“这可能导致一种新型超导体，”他说，“或探索新的量子效应。是否有可能有一个手性拓扑超导体?“
此外，虽然最新研究中观察到的铑 - 硅和钴 - 硅晶体中的拓扑性质被认为是理想的，但还有许多其他材料已被确定，可用于评估其在实际应用中改善性能的潜力，哈桑说。
“事实证明，同样的物理学也可能在未来的其他化合物中实现更适合设备，”他说。
“当你预测异国情调并且它也出现在实验室实验中时，这是一种巨大的满足感，”Hasan补充道，并指出他的团队之前在预测材料的拓扑性能方面取得了成功。“通过明确的理论预测，我们将理论和实验相结合，推进了知识前沿。”
