维度的降低会显著影响材料的物理化学性质，同时也将引起一系列新奇的量子现象，例如二维材料石墨烯中发现的线性色散。

维度对于拓扑材料则更为重要：拓扑材料具有受对称性保护的边缘态，从而使得由缺陷或杂质引起的电子背散射被禁止；进一步将拓扑材料的维度降低到一维则会显著增强电子的各向异性，使边缘态中自旋极化的电子被限制于一维导电通道，从而最大限度地避免散射的发生以达到更高的迁移率、更长的自旋弛豫时间。

因此，寻找性质稳定的准一维拓扑材料并研究其电子结构，对开发新一代超低功耗的自旋电子学器件具有指导意义。

两个拓扑准粒子的相互湮灭。图片来源：拉斐尔·布勒

甜甜圈不是早餐卷。这是两个非常明显区分的对象：一个有孔，另一个没有。在数学中，这两个形状被称为拓扑上不同的 - 你不能通过小的，连续的变形将一个转换为另一个。因此，它们之间的区别对扰动很强：即使你揉捏并弯曲面包，它看起来仍然不像甜甜圈。

这种拓扑性质在材料科学中也起着重要作用，尽管是以一种更抽象的方式。如果一个材料属性可以用拓扑来解释，那么它对干扰也是鲁棒的：环境条件的变化不会使它消失。现在，一个研究小组首次成功地专门切换了这种拓扑性质：某些材料状态在广泛的参数范围内对干扰是稳定的，但在一定的磁场下，它们可以完全关闭。这使得拓扑材料属性首次可操作。

史上关于拓扑材料的研究进程

近年来，科学家们已经将拓扑学的概念应用于发现具有类似的强大电子特性的材料。2007年，研究人员预测了第一个电子拓扑绝缘体--其中电子的行为方式是“拓扑保护”。

自那时起，科学家们一直在寻找更多的拓扑材料，目的是为了建造更好、更有弹性的电子设备。直到最近，只有少数这样的材料被发现，因此它们被认为是一种罕见的材料。

现在麻省理工学院(MIT)和其他地方的研究人员已经发现，事实上，拓扑材料无处不在。你只需要知道如何去寻找它们。

在于5月20日发表在《科学》上的一篇论文中，由普林斯顿大学和巴黎高等师范学院的Nicolas Regnault领导的团队报告称，他们利用多台超级计算机的力量绘制出了96000多种天然和合成晶体材料的电子结构。他们应用复杂的过滤器来确定每个结构中是否存在拓扑特征及哪种拓扑特征。

总体来说，他们发现所有已知的晶体结构中有90%至少包含一种拓扑特性，而所有自然发生的材料中有50%以上表现出某种拓扑行为。

这项研究的论文共同负责人、MIT物理系博士后Benjamin Wieder说道：“我们发现有一种普遍性--拓扑学无处不在。”

研究小组已将新确定的材料编入一个新的、可自由访问的拓扑材料数据库--类似于拓扑学的周期表。有了这个新的数据库，科学家们可以快速搜索感兴趣的材料、了解它们可能拥有的任何拓扑特性并利用它们来建造超低功率晶体管、新的磁性记忆存储及其他具有强大电子特性的设备。

这篇论文的共同牵头人哎包括多诺斯蒂亚国际物理中心的Maia Vergniory、巴斯克大学的Luis Elcoro、马克斯普朗克研究所的Stuart Parkin和Claudia Felser及普林斯顿大学的Andrei Bernevig。

这项新研究的动机是加快对拓扑材料的传统搜索。

“发现原始材料的方式是通过化学直觉。这种方法在早期有过很多成功的例子。但当我们从理论上预测出更多种类的拓扑相时，似乎直觉并没有让我们走得很远，”Wieder说道。

Wieder和他的同事们转而利用了一种高效和系统的方法，他们在所有已知的晶体结构--也称为无机固态材料--中找出拓扑结构的迹象。

对于他们的研究，研究人员开始着眼于无机晶体结构数据库(ICSD)。ICSD是一个储存库，研究人员将他们研究过的晶体材料的原子和化学结构输入其中。该数据库包括在自然界中发现的材料以及那些在实验室中被合成和操纵的材料。ICSD是目前世界上最大的材料数据库，包含超193,000种晶体，其结构已被绘制和表征出来。

研究小组下载了整个ICSD，并在进行了一些数据清理以剔除文件损坏或数据不完整的结构后得到了96,000多个可处理的结构。对于这些结构中的每一个，他们根据化学成分之间关系的基本知识进行了一系列计算，以此来获得材料的电子结构图--也被称为电子带结构。

该小组使用多台超级计算机对每个机构进行了有效的复杂计算，然后他们利用这些计算机进行第二套操作，这次则是为了筛选各种已知的拓扑相。

Wieder指出：“我们正在寻找电子结构中的特征，在这种材料中应该出现某些稳健的现象。”他以前的工作内容涉及到改进和扩大这种筛选技术，即所谓的拓扑量子化学。

研究团队从他们的高通量分析中很快发现了大量令人惊讶的材料。这些材料都是自然拓扑的，它们不需要任何实验操作及可以被操纵的材料。另外他们还发现了少数几种材料，当它们暴露在某些条件下时可以发现一种以上的拓扑状态。

Wieder表示，对于正在研究这种效应的实验者来说，该团队的新数据库现在揭示了一个可供探索的新材料群。

抽象空间中的几何图形

在物理学中，材料的“拓扑特性”与其几何形状无关 ， 它与甜甜圈形或球形的晶体样品无关。相反，术语“拓扑性质”是指材料中许多电子的复杂相互作用。

这种相互作用可以用非常具体的方式在数学上表示。通常，不考虑电子的位置，而是考虑它们的动量——或者换句话说：它们在抽象的“动量空间”中的位置。在这样的数学空间中，可以研究材料的某些性质，这些性质可以根据拓扑标准彼此区分 - 类似于甜甜圈和面包。

“找到这样的拓扑特性本身就是一件令人兴奋的事情。2016年，诺贝尔物理学奖授予了这些状态的发现，“维也纳工业大学固态物理研究所的Silke Bühler-Paschen教授说。“但我们现在能够展示一些全新的东西：我们第一次成功地操纵甚至关闭了这种拓扑状态。

对慢速电荷载流子的极端拓扑效应

为此使用了一种由铈，铋和钯制成的特殊材料。布勒-帕申的研究小组在前几年已经使用这种材料取得了几项引人注目的发现。例如，他们能够通过精确测量其电学或热学特性来证明这种材料中的奇异拓扑行为。

这种行为是由于这种材料中的电荷以一种奇特的方式移动。在普通的导电材料中，电流只是由穿过材料的单个电子流过。然而，在这种特殊材料中，它是不同的。

许多电荷载流子的相互作用在这里产生了非常特殊的“准粒子”——电荷载流子的集体激发，可以在材料中传播，类似于声音如何作为密度波在空气中传播，而单个空气粒子不必从声源移动到声接收器。

这些激发在这种材料中移动得非常缓慢。从某种意义上说，他们不能很好地超越彼此。这导致这样一个事实，即在这种情况下，动量空间中材料的拓扑特性具有特别强的影响。

关闭拓扑属性

“我们的测量表明，这些电学和热学性能确实很强大，正如人们对拓扑材料特性所期望的那样，”布勒-帕申说。小杂质或外部干扰不会带来巨大的变化。“但令人惊讶的是，我们发现：通过外部磁场，你可以控制这些拓扑特性。您甚至可以使它们在某个点完全消失。因此，我们拥有稳定、稳健的特性，您可以有选择地打开和关闭这些特性。

这种控制是通过激励的内部结构实现的，激励负责电荷传输：它们不仅携带电荷，还携带磁矩 - 这使得通过磁场切换它们成为可能。

“如果你施加更强的外部磁场，你可以想象这些电荷载体被推得越来越近，直到它们相遇并相互湮灭 —— 如果你让它们碰撞，它们类似于物质粒子和反物质粒子，”西尔克·布勒-帕申说。

在全球范围内寻找激动人心的应用

实验在维也纳工业大学（维也纳）进行，但对于一些额外的测量，该团队能够使用奈梅亨（荷兰）和洛斯阿拉莫斯国家实验室（美国）的高场实验室。理论支持由莱斯大学（美国）提供。

“这种新发现的可控性使得已经在物理学中引起如此多关注的拓扑材料更加有趣，”西尔克布勒-帕申确信。

可能，可切换的拓扑状态可用于传感器、开关等电子设施。正是由于材料中的激发非常慢，因此具有非常低的能量，因此它们特别有趣：激发与微波范围内的辐射耦合，这对于许多技术应用尤为重要。在电子学中，包括量子计算机在内的全新、更奇特的应用也是可以想象的。

该研究发表在《自然通讯》上。

文章来源： 量子工程学习，中科院之声，cnBeta