作为2016年诺贝尔物理学奖的“得主”，拓扑绝缘体的命名源于其内部绝缘、外部导电的特点。

自从一类被称为拓扑绝缘体（Topological Insulator）的新材料诞生以来，研究人员就对其在超低能量晶体管、癌症扫描激光器和高于5G代次的自由空间通信等电子应用上的可能性兴趣陡增。

一般来说，按照导电性质的不同，材料可分为“导体”和“绝缘体”两大类。而拓扑绝缘体是一种内部绝缘，界面允许电荷移动的材料。在拓扑绝缘体的内部，电子能带结构和常规的绝缘体相似，在拓扑绝缘体的表面存在一些特殊的量子态，这些量子态位于块体能带结构的带隙之中，从而允许导电。

更令人惊讶的是，拓扑绝缘体似乎只是可能产生的奇异电和光学半金属、超导体和其他形式的物质中的第一个。尽管这些奇怪的、有时是离奇的化合物目前可能令人困惑，但研究人员已经发现，这些材料可以拥有特殊的属性，可以发展成为未来的技术。

作为数学的一个分支，拓扑学是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的学科。

在拓扑学里不讨论两个图形全等的概念，但是讨论拓扑等价的概念。比如，圆和方形、三角形的形状、大小不同，但在拓扑变换下，它们都是等价图形；足球和橄榄球，也是等价的—-从拓扑学的角度看，它们的拓扑结构是完全一样的。

而游泳圈的表面和足球的表面则有不同的拓扑性质，比如游泳圈中间有个“洞”。在拓扑学中，足球所代表的空间叫做球面，游泳圈所代表的空间叫环面，球面和环面是“不同”的空间。

借助拓扑学，研究人员在2007年开发了第一个电子拓扑绝缘体。沿着这些材料的边缘或表面快速移动的电子受到“拓扑保护”，这意味着电子流动的模式在面对它们可能遇到的任何干扰时将保持不变。

而在未来，拓扑材料更是有可能深刻影响电子和光子学的发展！

电子拓扑绝缘体

澳大利亚的科学家们提出，基于电子拓扑绝缘体的晶体管可以帮助计算机节省大量的能源。墨尔本莫纳什大学的物理学家Michael Fuhrer说：“我们预计拓扑晶体管可以取代传统的半导体晶体管，在相同体积下，拓扑晶体管使用的能量要少得多。”

众所周知，为了将数据表示为1和0，需要在一种电态和另一种电态之间切换晶体管，而这种切换需要最低限度的电压。

于是，研究人员探索了用电子拓扑绝缘体取代用于制造晶体管的传统半导体。当这些材料像它们通常那样表现时，它们的导电边缘可以作为晶体管的“开启”状态发挥作用。但当施加电场时，它们就不再像电子拓扑绝缘体那样起作用，因此不再具有导电边缘，从而成为晶体管的“关闭”状态。

通过使用合适的拓扑材料，科学家们计算出，拓扑晶体管可以只消耗标准晶体管的一半电压和四分之一的能量。Fuhrer说：“今天的计算机使用了世界电力的8%到10%，并且每十年翻一番。所以我们需要一种新的技术来使计算机芯片更有效率，拓扑晶体管可以做到这一点。”

落实到工业生产上，拓扑晶体管的一个可能的候选者是铋烯（Bismuthene），这是一种以蜂窝状晶格排列的单层铋原子。Fuhrer说：“这项工作需要大量的时间，也许会超过十年以上。”

铋烯

光子拓扑绝缘体

2009年，科学家们开发了光子拓扑绝缘体，其中的光同样受到“拓扑保护”。这些材料的结构导致特定波长的光沿其外表面流动，甚至在拐角和缺陷处也没有损失或散射。

而与电子拓扑绝缘体相比，第一个找到实际用途的拓扑绝缘体事实上也可能是光子。其中一个潜在的应用是包含拓扑保护的激光器，它可能显示出比传统设备更好的效率和对缺陷的鲁棒性。

新加坡南洋理工大学的科学家们就从一种由砷化镓和砷化铝层组成的晶圆开始。当带电时，该晶圆会发出明亮的光。研究人员在晶圆上钻了一排孔，每个孔都像一个修剪了边角的等边三角形。在这个晶格周围，研究人员又钻了一些形状相同但方向相反的孔。来自晶圆的光沿着不同孔组之间的边界流动，并作为激光束从附近的通道出现。

事实证明，这种流动应对缺陷（包括科学家们钻的额外的孔）十分有效。王岐捷教授说：”我们能够创建光子结构，使光能够通过而没有散射损失或反射。

据介绍，这种激光器在太赫兹（THz）频率下工作，可用于癌症筛查和机场安全扫描。王岐捷教授和他的同事们目前正在探索使用夹在一起的砷化镓铟和砷化铝铟层的拓扑激光器，以发射中红外波长，对探测和分析空气污染物、激光雷达传感器或高于5G代次的自由空间通信等应用非常有用。

拓扑超导体

虽然拓扑绝缘体在其外部拥有受拓扑保护的电子或光子，但被称为拓扑超导体的一类不寻常的超导体可能在其表面拥有难以捉摸的理论粒子，这可能推动量子计算的重大进步。

拓扑超导体通常是由超导金属与半导体耦合而成。这些材料之间的相互作用可以产生马约拉纳费米子（Majorana fermions），一种反粒子就是它本身的费米子。

马约拉纳费米子可以被用作量子比特（Qubit），量子比特是大多数量子计算机的核心，理论上，这种计算机一瞬间的计算量比宇宙中的原子还要多。

传统上，量子比特通常是脆弱的，但拓扑超导体的马约拉纳费米子可以对干扰进行拓扑保护，科学家们认为这一特点可以催生出实用的量子计算机。马里兰大学帕克分校的凝聚态物质理论家Ruixing Zhang说：“拓扑量子比特是人们对拓扑超导感兴趣的最重要原因。”

然而，到目前为止，还没有出现关于拓扑超导体或马约拉纳费米子存在的结论性证据。2018年微软支持的一项研究声称发现了两者的有力证据，但这项工作最终在2021年被撤回。

尽管如此，研究人员仍对确认拓扑超导体的存在抱有希望。张和他的同事建议研究铁基超导体的薄膜，而其他人则建议研究石墨烯等材料。

拓扑半金属

就其导电或导热能力等特性而言，拓扑半金属位于金属和绝缘体之间。世界各地的科学家越来越多地发现，这些材料可以拥有非凡的特性，如几乎无耗散的电流，以及比其他任何材料都能将更多的光转化为电的能力，这暗示其存在广泛的潜在应用，如超低功率电子器件和利用废热发电。

现今，世界上存在着各种拓扑半金属，如狄拉克半金属（Dirac semimetal）、韦尔半金属（Weyl semimetal）、多重费米子半金属等等，每一种都在拓扑学上与其他的不同。传统的半金属可以随着温度的变化或其化学组成的轻微调整而轻易地转换为金属或绝缘体，而拓扑半金属则顽固地保持其半金属性质。

东京工业大学的物理学家Masaki Uchida说，就像石墨烯一样，电流可以在拓扑半金属中流动，而能量耗散几乎为零，这使得它们有可能用于超低功率的电子产品。新加坡科技大学的物理学家Yee Sin Ang说，与此同时，研究人员可以在理论上改变拓扑半金属的厚度来调整它们的特性，而石墨烯的厚度是有限的，因此设计的灵活性较差。

此外，拓扑半金属也可以显示出意想不到的特性，例如，波士顿学院的物理学家Ken Burch和他的同事发现，砷化钽可以从光中产生比其他材料多10倍以上的内在电流。

这种效应发生在中红外光下，这表明砷化钽可以在化学和热成像中找到用途。Burch说：“你可以理解为把把从高温物体上排放出来的废弃红外辐射转化为有用的电能。”

几十年来，科学家们可能忽略了许多拓扑半金属的显著特征。麻省理工学院的理论物理学家Benjamin Wieder就说：“拓扑材料发现和应用的未来可能不在于设计新材料，而在于重新发现具有被忽视特性的有趣材料。”

参考资料：https://spectrum.ieee.org/semiconductors/materials/a-beginners-guide-to-topological-materials