這種奇特的晶體正在推動量子革命

隨著研究人員在鉍晶體中確認了名為“拓撲絕緣體”的新電子態，這個原本在元素周期表中并不起眼的金屬即將掀起材料科學領域新一輪革命……

鉍（Bi）在元素周期表中位于鉛（Pb）和釙（Po）之間，其外觀平平無奇，經氧化處理后在充足光照下會呈現出華麗的虹色，否則便是尋常的銀白色。

此外，它質脆易粉碎，導電性差，還有輕微毒性，所以在這競爭激烈的材料世界中并不突出，更遑論與銅、硅或鋰這些高科技行業的佼佼者比肩，鉍可用于治療腸胃炎的抗酸劑、化妝品、焊料、潤滑劑、顏料、合金，甚或在半導體中也能見到。

簡言之，都不是特別高端的應用領域……然而在基礎研究方面，這個名字來頭頗為神秘的元素別具魅力。鉍之所以得到研究，是因為“它在強磁場中具有顯著的量子特性”，物理學家埃萊娜·布基亞（Hélène Bouchiat）指出。

這筆隱藏財富或將推動材料科學界新一輪革命。“鉍可能是周期表中最奇特和最被低估的元素之一。”德國馬普固體物理和材料研究所研究員克里斯汀·阿斯特（Christian Ast）2018年7月在《自然》雜志上發文評價道，“它理應是絕緣體，卻有一定的導電性，我們以為其原子核是穩定的，但事實上它有著極弱的放射性，當我們視其為正常的導體時，它卻呈現出一些超導性質，”

如今，鉍還展現出了前所未有的拓撲屬性。

“2012年我們剛開始研究鉍的時候，完全不知道它具有如此特性！”埃萊娜·布基亞回憶說。她與巴黎第十一大學部固體物理學實驗室的索菲·蓋倫（Sophie Guéron）、阿里·卡蘇莫夫（Ali Kasumov）、理查德·德伯克（Richard Deblock）以及其他來自法國、瑞士、美國、西班牙和俄羅斯的科學家攜手，證明了發現已久的鉍晶體是一種新材料類別——二階拓撲絕緣體——的“首席代表”，

物質的新電子態

“拓撲絕緣體”這個術語近十幾年來常被材料物理學家掛在嘴邊，甚至引起諾貝爾獎委員會的重視。2016年諾貝爾物理學獎就授予了相關領域的三位開拓者。因為關于拓撲物態的科學發明已在工業界掀起過數次革命，如1960年代的硅電子產品、1980年代的復合材料和1990年代的超導體。

拓撲學是研究幾何體形變的數學分支，使用拓撲學來研究材料的想法誕生于1960年代，不過拓撲絕緣體的概念只能回溯到2000年代，首例拓撲絕緣體直到2008年才在實驗室里被制造出來：該化合物包含銻和鉍！

“我們在見證物質的一種新電子態……”關于索菲·蓋倫口中的新電子態，并沒有多少直觀簡潔的表述。實際上，這個領域研究的是“自旋軌道耦合”“狄拉克錐”“布里淵區”“能帶反轉”之類的內容。為避免讀者迷失在量子迷宮中，下文只描述其宏觀特性。

首先，拓撲絕緣體是晶體，像硅、金剛石或鹽一樣，它們的原子都遵循一定方式重復排列。這種有序的結構賦予了晶體特殊的物理性質，比如可用作導體的銅，其原子在晶體結構的連接中能釋放各自的電子，形成所謂的“自由電子氣體”，正是自由電子的運動保障了導電性，

“長期以來，人們認為只有兩種類型的材料：導體和絕緣體。”索菲·蓋倫回顧道，“直到拓撲絕緣體被發現：它們內部是絕緣的，其邊緣卻能導電。”內部絕緣，表面導電——這聽上去很簡單的差異卻使得拓撲絕緣體與普通絕緣體之間有了質的不同，因為其表面的獨特電流也和銅之類導體內部的電流不一樣。

引起互聯網巨頭的注意

拓撲絕緣體內部的靜態原子與自由電子之間的相互作用使得電子能夠越過“障礙”。通常情況下，晶體內部總會有晶格缺陷（排列混亂的無序區域、多出的原子、雜原子等）。

在拓撲絕緣體內，如果電子移動途中遇到晶格缺陷，它們不會像在尋常導體里那樣發生偏轉或擴散，而是“視若無睹”般地穿過這些晶格缺陷……

在常規導體中，自由電子以無序的方式移動。電子自旋可以是任意方向，且電子遇到雜原子時會發生偏轉，

在拓撲絕緣體中，電子自旋垂直于電流方向，導致電子被驅趕到晶體表面——這不僅使得電子流動更順暢，也幫助它們避開了內部的雜原子。

在鉍晶體中，電子同時在兩個維度（晶體內部和表面）上被驅趕，最終聚集在棱邊，

因此盡管在尋常導體中，電子會與無序區域的原子摩擦產熱從而耗散能量，但在拓撲絕緣體中，晶格缺陷無礙電子的流動，所以能以最小的損耗在晶體邊緣傳導電流，換言之，電能的傳輸將變得沒有熱損耗！而熱損耗恰是阻礙微處理器進一步小型化的原因，

要知道，互聯網巨頭們的電力開銷中有50%是為了冷卻規模龐大的計算機集群，試想沒有熱損耗的元器件能帶來多少利益！

很快，在相關企業著手制造拓撲絕緣體的同時，對它們的理論研究揭示了這些獨特性質的源頭：與晶體原子屬性相關聯的量子現象和相對論的特定結合，

“這都是些重原子，它們能在局部產生強電場。”埃萊娜·布基亞解釋道，“而對于以百分之一光速運動的電子，受相對論效應影響，它們就如同與電子運動同向的磁場，”結果，電子自旋這一量子屬性賦予了電子本身一根“磁針”，其朝向總是垂直于電流的方向，這也有利于電子的流動，

最終，晶體的靜態重原子創造的磁場規律性地貫穿電流全路徑，將自由電子往邊緣趕，且始終維持電子自旋的方向有利于它們移動。

“電子自旋和其運動之間的耦合使得電子流動有個優勢方向：遭遇排列混亂的區域時，它們不會發生偏轉、反射或擴散，因為在晶格缺陷不是太多的情況下，電子只能保持原本的方向，除非其自旋被改變，”索菲·蓋倫歸納說，而鉍晶體的與眾不同之處就在于它能迫使電流流向晶體的棱邊。“我們甚至在理論文獻確認其可能性之前就發現了鉍的這種現象，”她打趣道。

此前，已知的拓撲絕緣體都是一階的，其特征是電流存在于較物體本身少一個維度的界面：當物體是三維的，電流流經物體的各個面；而如果是幾乎平面的物體，那電流只流經各個棱邊，

“鉍的研究一度被束之高閣，至少純鉍如此，因為理論上來說它不是一階拓撲絕緣體。”埃萊娜·布基亞回顧道，“而我們發現它實際上是二階拓撲絕緣體：即電流沿著比物體少兩個維度的路徑流動！”也就是說在一個鉍的立方體中，電流僅存在于立方體的棱上。

理論上只要在這種晶體上刻蝕出“電路板”，便能讓電流無熱損耗地經過！當然，這一現象目前僅在低溫真空環境下得以實現，而且需要極其精細的工序。

仍有未知待探索

這種限定在二階拓撲絕緣體棱邊的電流依然遵循著和一階拓撲絕緣體相同的量子定律。這是其獨特的電子結構決定的：晶體核心的靜態原子似乎會連續兩次把自由電子往邊緣趕，直至后者都集中在棱邊……

而一支中美科研團隊最近發現，鉍其實也是一階拓撲絕緣體，不過僅限于某個非常特殊的晶體表面——這又開辟了一個新概念，即晶體拓撲學。

拓撲絕緣體領域剛剛開始萌芽，而鉍已被奉為其中最具前景的材料，“令人期待的是接下來會發生什么，以及鉍在其中將扮演怎樣的角色。”克里斯汀·阿斯特寫道，“我們應當繼續探索，越是湊近了看，能看到的越多，”

這個曾在周期表中那么不起眼的元素今后必是聚光燈下的寵兒，

撰文 Román Ikonicoff

編譯 唐悅