3年前，美國普林斯頓大學(xué)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了三維拓撲絕緣體，這是一種金屬表面的奇怪絕緣體，雖然它獨特的屬性具有很大應(yīng)用潛力，但用于量子計算機卻并非理想材料。兩年來，科學(xué)家經(jīng)過不斷探索，完全扭轉(zhuǎn)其性質(zhì)，使之成為表面是金屬、內(nèi)部卻具有超導(dǎo)性的拓撲超導(dǎo)體。這種新材料的發(fā)現(xiàn)有望發(fā)展出新一代電子學(xué)，使當(dāng)前的信息存儲與處理方式完全改觀。

表面是金屬 內(nèi)部是超導(dǎo)體

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)11月3日（北京時間）報道，普林斯頓大學(xué)扎西德·哈桑領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了一種具有“雙重性格”新型晶體材料：在極低溫度下，晶體內(nèi)部表現(xiàn)與普通超導(dǎo)體類似，能以零電阻導(dǎo)電；同時，它的表面是仍有電阻的金屬，能傳輸電流。相關(guān)成果發(fā)表在最新一期《自然·物理學(xué)》雜志上。

實驗中，為了評價新晶體材料的性能，研究人員利用X光譜進行分析，通過研究X射線轟擊出來的單個電子來確定晶體的真實屬性，測試發(fā)現(xiàn)生成的是一種拓撲超導(dǎo)體。研究人員進一步在晶體的表面發(fā)現(xiàn)了不同尋常的電子，其表現(xiàn)得像輕子。由于哈桑小組去年曾經(jīng)第一次直接觀察到了一種被稱為螺旋狀狄拉克費米子的電子，此時他們立刻認出了這種電子就是科學(xué)家長期尋找的馬拉約那費米子（Majorana fermions）。

而賓夕法尼亞大學(xué)物理學(xué)家查爾斯·凱恩預(yù)測，如果一種拓撲超導(dǎo)體取代了一種拓撲絕緣體，把這種混合材料置于強磁場中時，其邊界電子將變成馬拉約那費米子。由于這種新晶體材料囊括了金屬、絕緣體和傳統(tǒng)超導(dǎo)體等多重“身份”，如何根據(jù)電子狀態(tài)來將它歸類讓科學(xué)家困惑不已。哈桑表示，拓撲超導(dǎo)體除了表面是金屬以外，其他部分都是超導(dǎo)體，這將給我們帶來許多應(yīng)用前景。

把絕緣體變成超導(dǎo)體

2007年，哈桑領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了三維拓撲絕緣體硒化鉍。在過去的兩年中，研究小組扭轉(zhuǎn)了硒化鉍的屬性，使其變成了表面是金屬、內(nèi)部為超導(dǎo)體的材料，這種屬性就很適合于未來電子學(xué)的開發(fā)。

為了使超導(dǎo)體具有拓撲性質(zhì)，參與研究的普林斯頓大學(xué)化學(xué)教授羅伯特·卡瓦把銅原子嵌入硒化鉍半導(dǎo)體的原子晶格中，發(fā)明了一種新晶體。這一過程稱為半導(dǎo)體摻雜，是一種改變材料電子數(shù)量的方法，用來轉(zhuǎn)變其電性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低于4K（約零下269攝氏度）的溫度下，合適的嵌入數(shù)量能將晶體轉(zhuǎn)變成一種超導(dǎo)體。但美中不足的是，根據(jù)最初的實驗結(jié)果，超導(dǎo)體無法長久保持其拓撲性質(zhì)，在真空中僅能保持幾個月。

加州大學(xué)伯克利分校物理副教授約爾·摩爾說，從理論上而言，如果一種拓撲絕緣體變成了拓撲超導(dǎo)體，它會具有一些超常的性質(zhì)，最異類的就是出現(xiàn)馬拉約那費米子。由普通原子核和電子構(gòu)成的固體能“生成”具有特異性質(zhì)的粒子，比如分數(shù)電荷，但馬拉約那費米子是零質(zhì)量零電荷，這可能是最奇怪的。盡管還沒有能檢測拓撲超導(dǎo)體的工具，但哈桑的研究在正確的方向上邁進了一大步。