隨著研究人員在鉍晶體中確認(rèn)了名為“拓?fù)浣^緣體”的新電子態(tài)，這個(gè)原本在元素周期表中并不起眼的金屬即將掀起材料科學(xué)領(lǐng)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(jīng)氧化處理后在充足光照下會(huì)呈現(xiàn)出華麗的虹色，否則便是尋常的銀白色。

未經(jīng)處理下的鉍晶體

此外，它質(zhì)脆易粉碎，導(dǎo)電性差，還有輕微毒性，所以在這競(jìng)爭(zhēng)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(yè)的佼佼者比肩。鉍可用于治腸胃炎的抗酸劑、化妝品、焊料、潤(rùn)滑劑、顏料、合金，甚或在半導(dǎo)體中也能見到。

簡(jiǎn)言之，都不是特別高端的應(yīng)用領(lǐng)域……然而在基礎(chǔ)研究方面，這個(gè)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?yàn)椤八趶?qiáng)磁場(chǎng)中具有顯著的量子特性”，物理學(xué)家埃萊娜·布基亞（Hélène Bouchiat）指出。

這筆隱藏財(cái)富或?qū)⑼苿?dòng)材料科學(xué)界新一輪革命?！般G可能是周期表中最奇特和最被低估的元素之一?！钡聡?guó)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(fā)文評(píng)價(jià)道，“它理應(yīng)是絕緣體，卻有一定的導(dǎo)電性。我們以為其原子核是穩(wěn)定的，但事實(shí)上它有著極弱的放射性。當(dāng)我們視其為正常的導(dǎo)體時(shí)，它卻呈現(xiàn)出一些超導(dǎo)性質(zhì)?！?/span>

如今，鉍還展現(xiàn)出了前所未有的拓?fù)鋵傩浴?/span>

“2012年我們剛開始研究鉍的時(shí)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(xué)固體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)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(guó)、瑞士、美國(guó)、西班牙和俄羅斯的科學(xué)家攜手，證明了發(fā)現(xiàn)已久的鉍晶體是一種新材料類別——二階拓?fù)浣^緣體——的“首席代表”。

“拓?fù)浣^緣體”這個(gè)術(shù)語近十幾年來常被材料物理學(xué)家掛在嘴邊，甚至引起諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的重視。2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就授予了相關(guān)領(lǐng)域的三位開拓者。因?yàn)殛P(guān)于拓?fù)湮飸B(tài)的科學(xué)發(fā)明已在工業(yè)界掀起過數(shù)次革命，如1960年代的硅電子產(chǎn)品、1980年代的復(fù)合材料和1990年代的超導(dǎo)體。

拓?fù)鋵W(xué)是研究幾何體形變的數(shù)學(xué)分支，使用拓?fù)鋵W(xué)來研究材料的想法誕生于1960年代，不過拓?fù)浣^緣體的概念只能回溯到2000年代，首例拓?fù)浣^緣體直到2008年才在實(shí)驗(yàn)室里被制造出來：該化合物包含銻和鉍！

“我們?cè)谝娮C物質(zhì)的一種新電子態(tài)……”關(guān)于索菲·蓋倫口中的新電子態(tài)，并沒有多少直觀簡(jiǎn)潔的表述。實(shí)際上，這個(gè)領(lǐng)域研究的是“自旋軌道耦合”“狄拉克錐”“布里淵區(qū)”“能帶反轉(zhuǎn)”之類的內(nèi)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?fù)浣^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(fù)排列。這種有序的結(jié)構(gòu)賦予了晶體特殊的物理性質(zhì)。比如可用作導(dǎo)體的銅，其原子在晶體結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)保障了導(dǎo)電性。

“長(zhǎng)期以來，人們認(rèn)為只有兩種類型的材料：導(dǎo)體和絕緣體?！彼鞣啤どw倫回顧道，“直到拓?fù)浣^緣體被發(fā)現(xiàn)：它們內(nèi)部是絕緣的，其邊緣卻能導(dǎo)電。”內(nèi)部絕緣，表面導(dǎo)電——這聽上去很簡(jiǎn)單的差異卻使得拓?fù)浣^緣體與普通絕緣體之間有了質(zhì)的不同，因?yàn)槠浔砻娴莫?dú)特電流也和銅之類導(dǎo)體內(nèi)部的電流不一樣。

拓?fù)浣^緣體內(nèi)部的靜態(tài)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(nèi)部總會(huì)有晶格缺陷（排列混亂的無序區(qū)域、多出的原子、雜原子等）。

在拓?fù)浣^緣體內(nèi)，如果電子移動(dòng)途中遇到晶格缺陷，它們不會(huì)像在尋常導(dǎo)體里那樣發(fā)生偏轉(zhuǎn)或擴(kuò)散，而是“視若無睹”般地穿過這些晶格缺陷……

在常規(guī)導(dǎo)體中，自由電子以無序的方式移動(dòng)。電子自旋可以是任意方向，且電子遇到雜原子時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

在拓?fù)浣^緣體中，電子自旋垂直于電流方向，導(dǎo)致電子被驅(qū)趕到晶體表面——這不僅使得電子流動(dòng)更順暢，也幫助它們避開了內(nèi)部的雜原子。

在鉍晶體中，電子同時(shí)在兩個(gè)維度（晶體內(nèi)部和表面）上被驅(qū)趕，最終聚集在棱邊。

因此盡管在尋常導(dǎo)體中，電子會(huì)與無序區(qū)域的原子摩擦產(chǎn)熱從而耗散能量，但在拓?fù)浣^緣體中，晶格缺陷無礙電子的流動(dòng)，所以能以最小的損耗在晶體邊緣傳導(dǎo)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(jìn)一步小型化的原因。

要知道，互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的電力開銷中有50%是為了冷卻規(guī)模龐大的計(jì)算機(jī)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(guān)企業(yè)著手制造拓?fù)浣^緣體的同時(shí)，對(duì)它們的理論研究揭示了這些獨(dú)特性質(zhì)的源頭：與晶體原子屬性相關(guān)聯(lián)的量子現(xiàn)象和相對(duì)論的特定結(jié)合。

“這都是些重原子，它們能在局部產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)?！卑ＨR娜·布基亞解釋道，“而對(duì)于以百分之一光速運(yùn)動(dòng)的電子，受相對(duì)論效應(yīng)影響，它們就如同與電子運(yùn)動(dòng)同向的磁場(chǎng)。”結(jié)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(dòng)。

最終，晶體的靜態(tài)重原子創(chuàng)造的磁場(chǎng)規(guī)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(dòng)。

“電子自旋和其運(yùn)動(dòng)之間的耦合使得電子流動(dòng)有個(gè)優(yōu)勢(shì)方向：遭遇排列混亂的區(qū)域時(shí)，它們不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、反射或擴(kuò)散，因?yàn)樵诰Ц袢毕莶皇翘嗟那闆r下，電子只能保持原本的方向，除非其自旋被改變?！彼鞣啤どw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?！拔覀兩踔猎诶碚撐墨I(xiàn)確認(rèn)其可能性之前就發(fā)現(xiàn)了鉍的這種現(xiàn)象。”她打趣道。

此前，已知的拓?fù)浣^緣體都是一階的，其特征是電流存在于較物體本身少一個(gè)維度的界面：當(dāng)物體是三維的，電流流經(jīng)物體的各個(gè)面；而如果是幾乎平面的物體，那電流只流經(jīng)各個(gè)棱邊。

“鉍的研究一度被束之高閣，至少純鉍如此，因?yàn)槔碚撋蟻碚f它不是一階拓?fù)浣^緣體。”埃萊娜·布基亞回顧道，“而我們發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上是二階拓?fù)浣^緣體：即電流沿著比物體少兩個(gè)維度的路徑流動(dòng)！”也就是說在一個(gè)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(jīng)過！當(dāng)然，這一現(xiàn)象目前僅在低溫真空環(huán)境下得以實(shí)現(xiàn)，而且需要極其精細(xì)的工序。

這種限定在二階拓?fù)浣^緣體棱邊的電流依然遵循著和一階拓?fù)浣^緣體相同的量子定律。這是其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)決定的：晶體核心的靜態(tài)原子似乎會(huì)連續(xù)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(tuán)隊(duì)最近發(fā)現(xiàn)，鉍其實(shí)也是一階拓?fù)浣^緣體，不過僅限于某個(gè)非常特殊的晶體表面——這又開辟了一個(gè)新概念，即晶體拓?fù)鋵W(xué)。

拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域剛剛開始萌芽，而鉍已被奉為其中最具前景的材料?！傲钊似诖氖墙酉聛頃?huì)發(fā)生什么，以及鉍在其中將扮演怎樣的角色?！笨死锼雇　ぐ⑺固貙懙溃拔覀儜?yīng)當(dāng)繼續(xù)探索。越是湊近了看，能看到的越多?！?/span>

這個(gè)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