论文部分内容阅读
物质的新态
主流观点之一认为“铋”的名称起源于德语，即白色物质，后被15世纪的矿工以讹传讹;另一个常被提到的说法则认为它来自阿拉伯语的拉丁字母，意思是“像锑一样”。无论如何，目前广被认可的是，它现今的英语名称沿用1530年对其鉴定后提出的拉丁名。不过，也有人认为是毒理学之父帕拉塞尔苏斯在1526年命名的。总之，“铋”之名的真正来历已经迷失在历史长河中。
此前，人们发现铋质脆易碎，导电性也极差，且还有轻微毒性，所以在竞争激烈的材料世界中并不突出，更遑论与铜、硅或锂这些高科技行业的佼佼者比肩。铋可用于治肠胃炎的抗酸剂、化妆品、焊料、润滑剂、颜料、合金，甚或在半导体中也能见到。简言之，都不是特别高端的应用领域……然而在基础研究方面，这个名字来头颇为神秘的元素别具魅力。铋之所以得到研究，是因为它在强磁场中具有显著的量子特性，这必将推动材料科学界的新一轮革命。铋可能是周期表中最奇特和最被低估的元素之一。它理应是绝缘体，却有一定的导电性。科学家以为其原子核是稳定的，但事实上它有着极弱的放射性。当研究人员视其为正常的导体时，它却又呈现出一些超导性质。
如今，铋还展现出了前所未有的拓扑属性。拓扑学是研究几何体形变的数学分支，使用拓扑学来研究材料的想法诞生于1960年，不过拓扑绝缘体的概念只能回溯到2000年，首例拓扑绝缘体直到2008年才在實验室里被制造出来：该化合物包含锑和铋。早在2012年的时候，科学家刚开始研究铋的时候，完全不知道它具有如此特性。现在证明，发现已久的铋晶体是一种新材料类别——二阶拓扑绝缘体——的“首席代表”。“拓扑绝缘体”这个术语近十几年来常被材料物理学家挂在嘴边，甚至引起诺贝尔奖委员会的重视。2016年诺贝尔物理学奖就授予了相关领域的三位研究者。因为关于拓扑物态的科学发明已在工业界掀起过多次革命，如20世纪60年代的硅电子产品、20世纪80年代的复合材料和20世纪90年代的超导体。关于物质的新电子态，并没有多少直观简洁的表述。实际上，这个领域研究的是“自旋轨道耦合”“能带反转”之类的量子内容。为避免迷失在量子迷宫中，下面只描述铋的宏观特性。
能够“越狱”的电子
我们知道，拓扑绝缘体是晶体，像硅、金刚石或盐一样，它们的原子都遵循一定方式重复排列，这种有序的结构赋予了晶体特殊的物理性质。比如可用作导体的铜，其原子在晶体结构的连接中能释放各自的电子，形成所谓的“自由电子气体”，正是自由电子的运动保障了导电性。直到拓扑绝缘体被发现，人们一直认为世界上只有两种类型的材料：导体和绝缘体。但是，拓扑绝缘体的内部是绝缘的，它的边缘却能导电。
内部绝缘，表面导电——这听上去很简单的差异却使得拓扑绝缘体与普通绝缘体之间有了质的不同，因为其表面的独特电流也和金属铜之类导体内部的电流则完全不一样。拓扑绝缘体内部的静态原子与自由电子之间的相互作用使得电子能够越过“障碍”。通常情况下，晶体内部会有排列混乱的无序区域、多出的原子、杂原子等晶格缺陷。在拓扑绝缘体内，如果电子移动途中遇到晶格缺陷，它们不会像在寻常导体里那样发生偏转或扩散，而是“视若无睹”般地穿过这些晶格缺陷……在常规导体中，自由电子以无序的方式移动。电子自旋可以是任意方向，且电子遇到杂原子时也会发生偏转。但是，在拓扑绝缘体中，电子自旋垂直于电流方向，导致电子被驱赶到晶体表面——这不仅使得电子流动更顺畅，也帮助它们避开了内部的杂原子。在铋晶体中，电子同时在晶体内部和表面上被加以驱赶，最终在晶体的棱边上聚集。因此，尽管在寻常导体中，电子会与无序区域的原子摩擦产热从而耗散能量，但在拓扑绝缘体中，晶格缺陷无碍电子的流动，所以能以最小的损耗在晶体边缘传导电流。换句话说，电能的传输将变得几乎没有热损耗，而热损耗恰是阻碍微处理器小型化的原因。
突然消失的热损
我们知道，互联网的电力开销中有50% 是为了冷却规模庞大的计算机集群，试想：没有热损耗的电子元器件能带来多么大的利益？很快，在相关企业着手制造拓扑绝缘体的同时，对它们的理论研究揭示了这些独特性质的源头：与晶体原子属性相关联的量子现象和相对论的特定结合。这能在局部产生强电场的重原子，对于以百分之一光速运动的电子，受相对论效应影响，它们就如同与电子运动同向的磁场。结果，电子自旋这一量子属性赋予了电子本身一根“磁针”，其朝向总是垂直于电流的方向，这也有利于电子的流动。最终，晶体的静态重原子创造的磁场规律性地贯穿电流全路径，将自由电子往边缘赶，且始终维持电子自旋的方向有利于它们移动。
电子自旋和其运动之间的耦合使得电子流动有个优势方向：遭遇排列混乱的区域时，它们不会发生偏转、反射或扩散，因为在晶格缺陷不是太多的情况下，电子只能保持原本的方向，除非其自旋被改变。而铋晶体的与众不同之处就在于它能迫使电流流向晶体的棱边。其实，在理论文献确认其可能性之前，科学家早就发现了铋的这种现象。此前，已知的拓扑绝缘体都是一阶的，其特征是电流存在于较物体本身少一个维度的界面：当物体是三维的，电流流经物体的各个面;而如果是几乎平面的物体，那电流只流经各个棱边。
新一轮材料革命
过去，铋的研究一度被束之高阁，至少纯铋如此，因为理论上来说，它不是一阶拓扑绝缘体。而现在，科学家发现它实际上是二阶拓扑绝缘体，即电流沿着比物体少两个维度的路径流动。也就是说，在一个铋的立方体中，电流仅存在于立方体的棱上。
理论上，只要在这种晶体上刻蚀出“电路板”，便能让电流无热损耗地经过。当然，这一现象目前仅在低温真空环境下得以实现，而且需要极其精细的工序。这种限定在二阶拓扑绝缘体棱边的电流依然遵循着和一阶拓扑绝缘体相同的量子定律。这是其独特的电子结构决定的：晶体核心的静态原子似乎会连续两次把自由电子往边缘赶，直至后者都集中在棱边……而一支由中国和美国科学家组成的科研团队最近研究发现，铋其实也是一阶拓扑绝缘体，不过仅限于某个非常特殊的晶体表面——这又开辟了一个新概念，即晶体拓扑学。拓扑绝缘体领域刚刚开始萌芽，而铋已被奉为其中最具前景的材料。令人期待的是，接下来将要发生什么，以及铋在其中将扮演怎样的角色。这个原本在元素周期表中并不起眼的金属，未来即将掀起材料科学领域的新一轮革命。
主流观点之一认为“铋”的名称起源于德语，即白色物质，后被15世纪的矿工以讹传讹;另一个常被提到的说法则认为它来自阿拉伯语的拉丁字母，意思是“像锑一样”。无论如何，目前广被认可的是，它现今的英语名称沿用1530年对其鉴定后提出的拉丁名。不过，也有人认为是毒理学之父帕拉塞尔苏斯在1526年命名的。总之，“铋”之名的真正来历已经迷失在历史长河中。
此前，人们发现铋质脆易碎，导电性也极差，且还有轻微毒性，所以在竞争激烈的材料世界中并不突出，更遑论与铜、硅或锂这些高科技行业的佼佼者比肩。铋可用于治肠胃炎的抗酸剂、化妆品、焊料、润滑剂、颜料、合金，甚或在半导体中也能见到。简言之，都不是特别高端的应用领域……然而在基础研究方面，这个名字来头颇为神秘的元素别具魅力。铋之所以得到研究，是因为它在强磁场中具有显著的量子特性，这必将推动材料科学界的新一轮革命。铋可能是周期表中最奇特和最被低估的元素之一。它理应是绝缘体，却有一定的导电性。科学家以为其原子核是稳定的，但事实上它有着极弱的放射性。当研究人员视其为正常的导体时，它却又呈现出一些超导性质。
如今，铋还展现出了前所未有的拓扑属性。拓扑学是研究几何体形变的数学分支，使用拓扑学来研究材料的想法诞生于1960年，不过拓扑绝缘体的概念只能回溯到2000年，首例拓扑绝缘体直到2008年才在實验室里被制造出来：该化合物包含锑和铋。早在2012年的时候，科学家刚开始研究铋的时候，完全不知道它具有如此特性。现在证明，发现已久的铋晶体是一种新材料类别——二阶拓扑绝缘体——的“首席代表”。“拓扑绝缘体”这个术语近十几年来常被材料物理学家挂在嘴边，甚至引起诺贝尔奖委员会的重视。2016年诺贝尔物理学奖就授予了相关领域的三位研究者。因为关于拓扑物态的科学发明已在工业界掀起过多次革命，如20世纪60年代的硅电子产品、20世纪80年代的复合材料和20世纪90年代的超导体。关于物质的新电子态，并没有多少直观简洁的表述。实际上，这个领域研究的是“自旋轨道耦合”“能带反转”之类的量子内容。为避免迷失在量子迷宫中，下面只描述铋的宏观特性。
能够“越狱”的电子
我们知道，拓扑绝缘体是晶体，像硅、金刚石或盐一样，它们的原子都遵循一定方式重复排列，这种有序的结构赋予了晶体特殊的物理性质。比如可用作导体的铜，其原子在晶体结构的连接中能释放各自的电子，形成所谓的“自由电子气体”，正是自由电子的运动保障了导电性。直到拓扑绝缘体被发现，人们一直认为世界上只有两种类型的材料：导体和绝缘体。但是，拓扑绝缘体的内部是绝缘的，它的边缘却能导电。
内部绝缘，表面导电——这听上去很简单的差异却使得拓扑绝缘体与普通绝缘体之间有了质的不同，因为其表面的独特电流也和金属铜之类导体内部的电流则完全不一样。拓扑绝缘体内部的静态原子与自由电子之间的相互作用使得电子能够越过“障碍”。通常情况下，晶体内部会有排列混乱的无序区域、多出的原子、杂原子等晶格缺陷。在拓扑绝缘体内，如果电子移动途中遇到晶格缺陷，它们不会像在寻常导体里那样发生偏转或扩散，而是“视若无睹”般地穿过这些晶格缺陷……在常规导体中，自由电子以无序的方式移动。电子自旋可以是任意方向，且电子遇到杂原子时也会发生偏转。但是，在拓扑绝缘体中，电子自旋垂直于电流方向，导致电子被驱赶到晶体表面——这不仅使得电子流动更顺畅，也帮助它们避开了内部的杂原子。在铋晶体中，电子同时在晶体内部和表面上被加以驱赶，最终在晶体的棱边上聚集。因此，尽管在寻常导体中，电子会与无序区域的原子摩擦产热从而耗散能量，但在拓扑绝缘体中，晶格缺陷无碍电子的流动，所以能以最小的损耗在晶体边缘传导电流。换句话说，电能的传输将变得几乎没有热损耗，而热损耗恰是阻碍微处理器小型化的原因。
突然消失的热损
我们知道，互联网的电力开销中有50% 是为了冷却规模庞大的计算机集群，试想：没有热损耗的电子元器件能带来多么大的利益？很快，在相关企业着手制造拓扑绝缘体的同时，对它们的理论研究揭示了这些独特性质的源头：与晶体原子属性相关联的量子现象和相对论的特定结合。这能在局部产生强电场的重原子，对于以百分之一光速运动的电子，受相对论效应影响，它们就如同与电子运动同向的磁场。结果，电子自旋这一量子属性赋予了电子本身一根“磁针”，其朝向总是垂直于电流的方向，这也有利于电子的流动。最终，晶体的静态重原子创造的磁场规律性地贯穿电流全路径，将自由电子往边缘赶，且始终维持电子自旋的方向有利于它们移动。
电子自旋和其运动之间的耦合使得电子流动有个优势方向：遭遇排列混乱的区域时，它们不会发生偏转、反射或扩散，因为在晶格缺陷不是太多的情况下，电子只能保持原本的方向，除非其自旋被改变。而铋晶体的与众不同之处就在于它能迫使电流流向晶体的棱边。其实，在理论文献确认其可能性之前，科学家早就发现了铋的这种现象。此前，已知的拓扑绝缘体都是一阶的，其特征是电流存在于较物体本身少一个维度的界面：当物体是三维的，电流流经物体的各个面;而如果是几乎平面的物体，那电流只流经各个棱边。
新一轮材料革命
过去，铋的研究一度被束之高阁，至少纯铋如此，因为理论上来说，它不是一阶拓扑绝缘体。而现在，科学家发现它实际上是二阶拓扑绝缘体，即电流沿着比物体少两个维度的路径流动。也就是说，在一个铋的立方体中，电流仅存在于立方体的棱上。
理论上，只要在这种晶体上刻蚀出“电路板”，便能让电流无热损耗地经过。当然，这一现象目前仅在低温真空环境下得以实现，而且需要极其精细的工序。这种限定在二阶拓扑绝缘体棱边的电流依然遵循着和一阶拓扑绝缘体相同的量子定律。这是其独特的电子结构决定的：晶体核心的静态原子似乎会连续两次把自由电子往边缘赶，直至后者都集中在棱边……而一支由中国和美国科学家组成的科研团队最近研究发现，铋其实也是一阶拓扑绝缘体，不过仅限于某个非常特殊的晶体表面——这又开辟了一个新概念，即晶体拓扑学。拓扑绝缘体领域刚刚开始萌芽，而铋已被奉为其中最具前景的材料。令人期待的是，接下来将要发生什么，以及铋在其中将扮演怎样的角色。这个原本在元素周期表中并不起眼的金属，未来即将掀起材料科学领域的新一轮革命。