據(jù)《自然》網(wǎng)站3月8日?qǐng)?bào)道，最近，德國(guó)馬克斯·普朗克研究院固體研究所科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，自然界中也存在天然形成的拓?fù)浣^緣體，而且比人工合成的更純凈。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)建造自旋電子設(shè)備具有促進(jìn)作用，并有助于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)用電子自旋來(lái)編碼信息的量子計(jì)算機(jī)。研究結(jié)果發(fā)表在最近出版的《納米快報(bào)》上。
拓?fù)浣^緣體是一種奇特材料，其表面能導(dǎo)電而內(nèi)部卻絕緣。這是因?yàn)槠鋬?nèi)部電子自旋與電子自身的運(yùn)動(dòng)相互耦合，迫使電子圍繞一個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)而不能穿越整塊材料，這樣就無(wú)法導(dǎo)電。但在材料邊緣，電子沒(méi)有足夠空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，被迫沿著表面呈半圓形跳躍，由此變得能夠?qū)щ?。早?005年，科學(xué)家就預(yù)測(cè)了拓?fù)浣^緣體的存在，直到2008年首次用重元素合成了這種材料。
馬克斯·普朗克研究院固體研究所的帕斯卡·格林和同事首次用一種自然界的礦物演示了這種性質(zhì)。他們?cè)诮菘斯埠蛧?guó)的一處舊金礦發(fā)現(xiàn)了一種天然的硒碲鉍礦物樣本，其中含有鉍、碲、硒和硫。他們從中分離出一些單晶層，約0.7毫米寬，對(duì)其進(jìn)行了光電子能譜測(cè)試（拓?fù)浣^緣體標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)），包括用紫外光照射材料表面擊出電子，然后檢測(cè)擊出電子的性質(zhì)。最終證明了該材料的電子能量和動(dòng)量分布都與對(duì)拓?fù)浣^緣體的預(yù)測(cè)相符。
美國(guó)猶他州大學(xué)材料科學(xué)家劉鋒（音譯）指出，過(guò)去硒碲鉍礦是人工合成的，但實(shí)驗(yàn)室造出的拓?fù)浣^緣體結(jié)構(gòu)上存在瑕疵，會(huì)在材料內(nèi)部不希望的地方產(chǎn)生導(dǎo)電性。人們以為天然礦物會(huì)含有更多雜質(zhì)，但“令人吃驚的是，研究小組發(fā)現(xiàn)的天然樣本比人工合成的更純凈。在實(shí)驗(yàn)室制造還要經(jīng)過(guò)加工、提純，用自然供給的拓?fù)浣^緣材料可能會(huì)更便宜”。
拓?fù)浣^緣體只有一層薄薄的導(dǎo)電層，因此要控制它的電子自旋相對(duì)容易。“拓?fù)浣^緣體提高了建造自旋設(shè)備的可能性。”格林說(shuō)，在自旋設(shè)備中，電流是受電子自旋驅(qū)動(dòng)而不是電壓，而自旋是電子本身固有的性質(zhì)。物理學(xué)家正在研究建造自旋量子計(jì)算機(jī)。這是用電子自旋來(lái)給信息編碼，而不是用電流開(kāi)關(guān)。電子自旋能迅速旋轉(zhuǎn)而無(wú)需消耗很多能量，所以自旋設(shè)備會(huì)比同類(lèi)的電子設(shè)備效率更高，其所需的能量?jī)H是用來(lái)改變電荷。