科学家们已经确定了一种一维拓扑绝缘体，这种绝缘体可能会彻底改变量子计算和太阳能电池的效率。这一突破性的发现为量子计算和太阳能电池效率的提高铺平了道路。

研究人员发现了一种新的拓扑绝缘体（TI），这是一种独特的物质状态，不同于传统的金属、绝缘体和半导体。与大多数已知的三维或二维TI不同，这种TI是一维的。这项开创性的工作有望推动量子比特和高效太阳能电池的发展。

这项研究由来自东北大学、大阪大学、京都产业大学、高能加速器研究机构 (KEK) 和国家量子科学技术研究所的科学家进行，并发表在《自然》杂志上。

量子计算潜力的突破

拓扑绝缘体（TIs）的内部是电绝缘体，意味着电子不能轻易移动；而其表面是电导体，电子能够沿着表面移动。自2000年代出现三维拓扑绝缘体以来，研究人员一直在寻找新的拓扑绝缘体。然而，一维拓扑绝缘体在很大程度上仍然难以捉摸。

“一维拓扑绝缘体尤其有趣，因为出现在其端点的电荷有效地构成了量子比特——量子计算中的基本信息单位，因此对量子物理学来说至关重要，”东北大学研究生院理学部助理教授兼该研究合著者中村浩辅（Kosuke Nakayama）指出。

研究方法论

中山和他的同事将注意力集中在碲（Te）上，这是一种主要用于太阳能电池板和热电装置的半导体。最近的理论预测表明，单螺旋链实际上可能是一维拓扑绝缘体。为了验证这一点，研究团队需要观察这些链两端被限制住的电荷。

这需要制备出结构无损伤的Te链的干净边缘，通过使用新开发的气体团簇离子束(GCIB)系统可以实现这一点，该系统可以在纳米范围内修改表面。然后，他们使用具有微聚焦光束的角度分辨光电子能谱(ARPES)可视化电荷的空间分布。他们的研究证实，电荷确实出现在链的末端，从而支持了Te的一维拓扑绝缘体性质。

对未来技术的影响

中山教授强调，他们的研究标志着理解一维拓扑绝缘体性质方面迈出了关键一步，并将带来广泛的好处。“一维拓扑绝缘体端点的电荷有多种用途：量子比特、高效太阳能电池、高灵敏度光电探测器和纳米晶体管。我们发现一维拓扑绝缘体将有助于加速实现这些应用的研究。”

参考：“由拓扑螺旋链衍生的边缘态的观察”，作者：K. Nakayama、A. Tokuyama、K. Yamauchi、A. Moriya、T. Kato、K. Sugawara、S. Souma、M. Kitamura、K. Horiba、H. Kumigashira、T. Oguchi、T. Takahashi、K. Segawa和T. Sato，发表于2024年6月5日，《自然》杂志。DOI：10.1038/s41586-024-07484-z