據(jù)《自然》網(wǎng)站3月8日報道，最近，德國馬克斯·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撲絕緣體，而且比人工合成的更純凈。這一發(fā)現(xiàn)對建造自旋電子設(shè)備具有促進作用，并有助于設(shè)計開發(fā)用電子自旋來編碼信息的量子計算機。研究結(jié)果發(fā)表在最近出版的《納米快報》上。

拓撲絕緣體是一種奇特材料，其表面能導(dǎo)電而內(nèi)部卻絕緣。這是因為其內(nèi)部電子自旋與電子自身的運動相互耦合，迫使電子圍繞一個點旋轉(zhuǎn)而不能穿越整塊材料，這樣就無法導(dǎo)電。但在材料邊緣，電子沒有足夠空間旋轉(zhuǎn)運動，被迫沿著表面呈半圓形跳躍，由此變得能夠?qū)щ姟Ｔ缭?005年，科學(xué)家就預(yù)測了拓撲絕緣體的存在，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)。他們在捷克共和國的一處舊金礦發(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，對其進行了光電子能譜測試（拓撲絕緣體標(biāo)準(zhǔn)檢測），包括用紫外光照射材料表面擊出電子，然后檢測擊出電子的性質(zhì)。最終證明了該材料的電子能量和動量分布都與對拓撲絕緣體的預(yù)測相符。

美國猶他州大學(xué)材料科學(xué)家劉鋒（音譯）指出，過去硒碲鉍礦是人工合成的，但實驗室造出的拓撲絕緣體結(jié)構(gòu)上存在瑕疵，會在材料內(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。在實驗室制造還要經(jīng)過加工、提純，用自然供給的拓撲絕緣材料可能會更便宜”。

拓撲絕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容易。“拓撲絕緣體提高了建造自旋設(shè)備的可能性。”格林說，在自旋設(shè)備中，電流是受電子自旋驅(qū)動而不是電壓，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算機。這是用電子自旋來給信息編碼，而不是用電流開關(guān)。電子自旋能迅速旋轉(zhuǎn)而無需消耗很多能量，所以自旋設(shè)備會比同類的電子設(shè)備效率更高，其所需的能量僅是用來改變電荷。