三角形蜂窝：物理学家设计新型量子材料

我们日常生活中的智能手机、笔记本电脑和其他电子设备极大地受益于半导体设备日益小型化。然而，这种发展是有代价的：限制电子会增强它们的散射——手机会发热。

拓扑绝缘体有望实现更高效和可持续的技术。与传统半导体不同的是，电流在其边界上流动，由于对称性原因，散射被禁止。换句话说，事情保持冷静!2007 年，维尔茨堡大学物理学家、卓越集群成员劳伦斯·莫伦坎普 (Laurens Molenkamp) 发现了第一种拓扑量子材料，在科学界引起了全世界的共鸣。

茚——隐藏的蜂窝

在寻找新的拓扑材料的过程中，迄今为止的大部分理论工作都集中在蜂窝状排列的二维原子层上。动机来自石墨烯，量子自旋霍尔系统的“果蝇”，或者更简单地说，是我们老式经典铅笔内的单层著名石墨。维尔茨堡的研究团队寻求另一种途径：乔治·桑乔瓦尼( Giorgio Sangiovanni) 周围的理论物理学家提出使用更简单的三角形原子晶格。

这个想法已经被ct.qmat维尔茨堡分公司发言人Ralph Claessen的实验团队付诸实践。研究人员使用最先进的分子束技术，成功地在碳化硅晶体上沉积单层铟原子作为三角形晶格作为载体，从而产生茚。由于构建块和化学元素的这种新组合，相关电子不会直接定位在铟位置，而是更喜欢占据它们之间的自由空间。从电子的角度来看，它们的电荷填充了三角形铟晶格的“负”，它实际上是一个蜂窝状晶格——隐藏在原子结构的空隙中。

项目负责人 Giorgio Sangiovanni 通过粒子的量子力学性质解释了这一点：“人们可以将铟电子描述为堆积在三角形晶格空隙中的波，乍一看你不会想到它们会在那里。有趣的是，由此产生的‘隐藏的'蜂窝连接导致了一种特别坚固的拓扑绝缘体，而不是石墨烯。”

具有独特优势的拓扑量子材料

导致茚的合成的独特材料设计可以改善拓扑电子领域的当前技术状态：与石墨烯相比，茚不需要冷却到超低温来表现其作为拓扑绝缘体的特性. 这是特别简单的三角形晶格的结果，它允许大的结构域，通常是其他拓扑材料合成中的严重瓶颈。

“我们确实很惊讶，这样一个简单的原子结构可以显示拓扑特性。这是成功生长完美茚薄膜的重要资产，可以满足器件纳米制造所需的苛刻标准。此外，使用碳化硅作为支撑衬底使我们能够连接到成熟的半导体技术，”拉尔夫·克拉森评论科学结果时说。

外表

茚的简单结构同时也代表了一个挑战：单层铟原子一旦与空气接触，材料就会失去其特殊性能。出于这个原因，研究人员目前正在开发一种原子覆盖层，可以保护茚在其合成过程中免受不必要的污染。这些问题的解决方案将为大规模使用这些拓扑量子材料铺平道路。

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