神奇不？具有导电边缘的绝缘体

来源：中科院半导体所

想象一下，一个由绝缘体制成的圆盘，它有一个导电的边缘，电流总是沿着这个边缘向同一方向流动。是不是很神奇？

这种边缘导电的绝缘体有望得到有趣的技术应用。然而到目前为止，人们还没有完全了解它们的特点。不过在超冷量子气体的帮助下，歌德大学的物理学家们已经建立了所谓的拓扑绝缘体模型。发表在最近一期的《物理评论快报》上，他们展示了如何通过实验检测边缘状态。这项研究的第一作者Bernhard Irsigler解释说：这使得量子粒子不可能被阻挡，因为朝另一个方向流动的状态根本不存在。换句话说，在边缘状态下，电流无阻力流动。例如，这可以用来提高移动设备的稳定性和能源效率。

人们还在研究如何利用这种技术来制造效率更高的激光器。近年来，在超冷量子气体中也产生了拓扑绝缘体，以更好地理解其行为。当正常气体冷却到绝对零度以上百万分之一到十亿分之一的温度时，就会产生这些气体。这使得超冷量子气体成为宇宙中最冷的地方。如果超冷量子气体也是在由激光构成的光学晶格中产生，那么气体原子的排列就像固体晶格中的排列一样有规律。然而与固体不同的是，许多参数可以改变，从而允许对人工量子态进行研究。

光学晶格中的人工边缘(蓝色)，充满由“自旋向上”粒子(红色)和“自旋向下”粒子(绿色)组成的超冷量子气体。沿着边缘（只有在那里）“自旋向上”的粒子只能流向左边，而“自旋向下”的粒子只能流向右边。

研究人员喜欢称它为量子模拟器，因为这种系统揭示了在固体中发生的许多事情。利用光学晶格中的超冷量子气体，可以了解拓扑绝缘子的基本物理性质。然而，固体和量子气体的一个显著区别是，云状气体没有明确的边缘。那么，超冷气体中的拓扑绝缘体是如何决定其边缘状态呢？歌德大学理论物理研究所Walter Hofstetter教授研究小组的研究人员在研究中回答了这个问题。通过模拟了拓扑隔离器和普通隔离器之间的人工屏障，这表示拓扑绝缘子的边缘，沿其形成导电边缘状态。

实验证明，边缘状态是通过量子关联来表征的，可以在实验中使用量子气体显微镜来测量。哈佛大学、麻省理工学院和慕尼黑的马普量子光学研究所都进行了这种测量。量子气体显微镜是一种在实验中检测单个原子的仪器。在研究工作中，明确考虑量子气体粒子之间的相互作用是至关重要。这使得调查更加现实，但也更加复杂。没有超级计算机就无法进行复杂的计算。在DFG研究单位“超冷原子中的人工测量场和相互作用拓扑阶段”的背景下，与欧洲领先科学家的密切合作对我们也特别重要。