固态物理学中的圣杯发现可能会带来新技术

量子力学世界仍有许多谜团有待解开，但东北大学的科学家们相信他们已经取得了“圣杯”的发现，可以帮助为下一代电子设备铺平道路。他们的研究结果最近发表在《自然》杂志上，主要集中在发现所谓的拓扑轴子绝缘体上，这是一种独特的量子物质状态，此前研究人员仅在理论上认为存在这种量子物质状态，据东北大学领导一组研究人员的物理学家阿伦·班西尔(Arun Bansil)说。参与研究。来自世界各地大学的数十名科学家参与了该项目。

Bansil 说，这种轴子绝缘状态是通过结合某些金属并观察它们的磁电响应来实现的。在这种情况下，研究人员使用了由碲化锰铋组成的固态芯片，这些芯片以二维层状粘合在一起，来测量由此产生的电和磁特性。

研究人员指出，这一发现对一系列技术都有影响，包括传感器、开关、计算机和内存存储设备等。研究人员写道，如果科学家能够将这些新的拓扑材料集成到未来的设备中，“磁性数据的存储、传输和处理将变得更快、更强大和更节能”。

“这就像发现了一种新元素，”班西尔说。“而且我们知道将会有各种各样有趣的应用程序。”

Bansil 说，他们选择了这种特殊的材料组合，研究人员在一个小晶体结构中逐个原子地构建了这种材料，因为它的表面导电，而整体结构在很大程度上是不导电的或绝缘的——这是一种不寻常的特性，由层间的强磁电耦合。

换句话说，拓扑绝缘体可以同时是导体和绝缘体。

“拓扑轴子绝缘体具有神奇的能力，使其表面具有非常坚固的金属或导电电子，即使材料的大部分是绝缘的，”班西尔说。“它只是从理论上预测 - 现在它已通过实验实现。”

一类新兴的电子设备——所谓的自旋电子学——依赖于这种通过称为电子“自旋”的东西对量子结构的操纵。Bansil 说，自旋，也称为角动量，描述了定义为两种潜在状态之一的电子的基本属性：向上或向下。电子自旋的方式会影响在任何固体中工作的磁场方向。

传统电子设备依赖于以化学能形式储存能量的电池，而自旋电子设备可以利用来自特殊材料的磁能——例如研究中使用的碲化锰铋芯片——而不发生化学反应，从而提高效率Bansil 说，未来技术的“候选材料”。

Bansil 说，这种自旋电池仍在很大程度上处于开发阶段，但科学家们认为拓扑绝缘体可能是解锁这种技术的关键。他说，研究人员已经提出将自旋电子学作为解决当今电子产品的许多问题的方法，包括计算机和其他依赖充电的设备的功耗和运行速度问题。

“毫无疑问，下一代电子产品需要低功耗，”Bansil 说。“当你发现这样的新材料时，就会打开可能性。这些更新的材料可以帮助引入全新的技术。”

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