一种其奇异电学行为困扰物理学家数十年的化合物，可能最终会成为量子物理学和电子设备制造商的福音。
当理论家在 2005 年提出，应该可以找到在表面导电而样品其余部分表现为绝缘体的材料时，物理学家们被吸引住了。他们想研究在这种材料中应该出现的量子效应，并探索在低功耗电子产品和量子计算中的应用。但是，拓扑绝缘体（这些材料的名称）被证明难以制造。一些研究人员一直致力于使用复杂的难以扩展到工业应用所需水平的技术来制造薄膜。其他一些人则满足于近似拓扑绝缘体的化合物，但仍然具有一定程度的内部导电性。
现在，三篇论文表明，六硼化钐（一种人们知之甚少、最早于 1969 年由新泽西州贝尔实验室的研究人员发现其在极低温下获得导电特性的化合物），实际上在其体相形态下可能是一种拓扑绝缘体。
支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过 订阅来支持我们屡获殊荣的新闻报道。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
在最近的论文中，该论文于 11 月 28 日在线发布，加州大学欧文分校的研究人员报告说，在 SmB6 晶体表面看到了移动速度非常快的电子，他们将其视为表面优良导体的迹象。五天前，马里兰大学帕克分校的研究人员报告了对注入到 SmB6 样品中的电子在冷却时的路径的测量结果。这些结果表明，该材料在低于约 30 开尔文的温度下，其内部是绝缘的。而且，在 11 月 21 日发布的论文中，来自密歇根大学安娜堡分校和加州大学欧文分校的科学家描述了他们对该材料表面和体内的电导率的测量结果，并发现证据表明，尽管存在缺陷和杂质，表面导电行为仍然存在，正如真正拓扑绝缘体的预期那样。
过去几年中，对拓扑绝缘体的兴趣激增（参见 “充电”）导致了 2010 年的一个预测，即 SmB6 将是这样一种材料。“我想说我们已经被初步证明是正确的，”新泽西州皮斯卡塔韦罗格斯大学的皮尔斯·科尔曼说，他是做出预测的四位理论物理学家之一。“我们对这些新结果感到非常兴奋。”
凉爽特性
该预测部分源于对被称为近藤绝缘体的材料的研究，这些材料与普通绝缘体不同，当它们被冷却到绝对零度以上几度时，会保留它们所具有的少量导电性。SmB6 通常被归类为近藤绝缘体，符合这种描述。
科尔曼和其他理论家意识到，如果该材料是拓扑绝缘体，其行为是有道理的。这将意味着该材料的量子特性使得电子无法像在普通导体中那样自由地流过它，只能在材料的表面流动。如果证明这是正确的，科尔曼认为，从 SmB6 和其他近藤绝缘体中获得的见解可以推广到所有拓扑绝缘体。
SmB6 是一种不寻常的拓扑绝缘体，因为钐原子外层中的电子彼此之间强烈相互作用，从而产生协调的运动。加利福尼亚州斯坦福大学的拓扑绝缘体研究先驱张首晟表示，这可能使该材料可用于产生一些奇异的量子效应，包括磁单极子或马约拉纳费米子——可能对量子计算有用的准粒子。张补充说，对 SmB6 的兴趣激增是研究电子之间相互作用强烈的材料的趋势的一部分。“现在我们正在研究许多系统。这是一个非常令人兴奋的发展，”他说。
在马里兰州巴尔的摩约翰·霍普金斯大学研究铋基化合物拓扑绝缘行为的彼得·阿米蒂奇表示，在凝聚态物理领域，通常是实验引领理论，但这是一个相反的显著例子。他现在希望在接下来的一两周内开始对 SmB6 进行实验，以证实和研究表面态。“这些是隐藏在我们眼皮底下的美丽效应，”他说。“这是一个非常大的进步。”