量子材料現身

李和昌

物質的新態

主流觀點之一認為“鉍”的名稱起源于德語，即白色物質，后被15世紀的礦工以訛傳訛;另一個常被提到的說法則認為它來自阿拉伯語的拉丁字母，意思是“像銻一樣”。無論如何，目前廣被認可的是，它現今的英語名稱沿用1530年對其鑒定后提出的拉丁名。不過，也有人認為是毒理學之父帕拉塞爾蘇斯在1526年命名的。總之，“鉍”之名的真正來歷已經迷失在歷史長河中。

此前，人們發現鉍質脆易碎，導電性也極差，且還有輕微毒性，所以在競爭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的佼佼者比肩。鉍可用于治腸胃炎的抗酸劑、化妝品、焊料、潤滑劑、顏料、合金，甚或在半導體中也能見到。簡言之，都不是特別高端的應用領域……然而在基礎研究方面，這個名字來頭頗為神秘的元素別具魅力。鉍之所以得到研究，是因為它在強磁場中具有顯著的量子特性，這必將推動材料科學界的新一輪革命。鉍可能是周期表中最奇特和最被低估的元素之一。它理應是絕緣體，卻有一定的導電性。科學家以為其原子核是穩定的，但事實上它有著極弱的放射性。當研究人員視其為正常的導體時，它卻又呈現出一些超導性質。

如今，鉍還展現出了前所未有的拓撲屬性。拓撲學是研究幾何體形變的數學分支，使用拓撲學來研究材料的想法誕生于1960年，不過拓撲絕緣體的概念只能回溯到2000年，首例拓撲絕緣體直到2008年才在實驗室里被制造出來：該化合物包含銻和鉍。早在2012年的時候，科學家剛開始研究鉍的時候，完全不知道它具有如此特性。現在證明，發現已久的鉍晶體是一種新材料類別——二階拓撲絕緣體——的“首席代表”。“拓撲絕緣體”這個術語近十幾年來常被材料物理學家掛在嘴邊，甚至引起諾貝爾獎委員會的重視。2016年諾貝爾物理學獎就授予了相關領域的三位研究者。因為關于拓撲物態的科學發明已在工業界掀起過多次革命，如20世紀60年代的硅電子產品、20世紀80年代的復合材料和20世紀90年代的超導體。關于物質的新電子態，并沒有多少直觀簡潔的表述。實際上，這個領域研究的是“自旋軌道耦合”“能帶反轉”之類的量子內容。為避免迷失在量子迷宮中，下面只描述鉍的宏觀特性。

能夠“越獄”的電子

我們知道，拓撲絕緣體是晶體，像硅、金剛石或鹽一樣，它們的原子都遵循一定方式重復排列，這種有序的結構賦予了晶體特殊的物理性質。比如可用作導體的銅，其原子在晶體結構的連接中能釋放各自的電子，形成所謂的“自由電子氣體”，正是自由電子的運動保障了導電性。直到拓撲絕緣體被發現，人們一直認為世界上只有兩種類型的材料：導體和絕緣體。但是，拓撲絕緣體的內部是絕緣的，它的邊緣卻能導電。

內部絕緣，表面導電——這聽上去很簡單的差異卻使得拓撲絕緣體與普通絕緣體之間有了質的不同，因為其表面的獨特電流也和金屬銅之類導體內部的電流則完全不一樣。拓撲絕緣體內部的靜態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，晶體內部會有排列混亂的無序區域、多出的原子、雜原子等晶格缺陷。在拓撲絕緣體內，如果電子移動途中遇到晶格缺陷，它們不會像在尋常導體里那樣發生偏轉或擴散，而是“視若無睹”般地穿過這些晶格缺陷……在常規導體中，自由電子以無序的方式移動。電子自旋可以是任意方向，且電子遇到雜原子時也會發生偏轉。但是，在拓撲絕緣體中，電子自旋垂直于電流方向，導致電子被驅趕到晶體表面——這不僅使得電子流動更順暢，也幫助它們避開了內部的雜原子。在鉍晶體中，電子同時在晶體內部和表面上被加以驅趕，最終在晶體的棱邊上聚集。因此，盡管在尋常導體中，電子會與無序區域的原子摩擦產熱從而耗散能量，但在拓撲絕緣體中，晶格缺陷無礙電子的流動，所以能以最小的損耗在晶體邊緣傳導電流。換句話說，電能的傳輸將變得幾乎沒有熱損耗，而熱損耗恰是阻礙微處理器小型化的原因。

突然消失的熱損

我們知道，互聯網的電力開銷中有50% 是為了冷卻規模龐大的計算機集群，試想：沒有熱損耗的電子元器件能帶來多么大的利益？很快，在相關企業著手制造拓撲絕緣體的同時，對它們的理論研究揭示了這些獨特性質的源頭：與晶體原子屬性相關聯的量子現象和相對論的特定結合。這能在局部產生強電場的重原子，對于以百分之一光速運動的電子，受相對論效應影響，它們就如同與電子運動同向的磁場。結果，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。最終，晶體的靜態重原子創造的磁場規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。

電子自旋和其運動之間的耦合使得電子流動有個優勢方向：遭遇排列混亂的區域時，它們不會發生偏轉、反射或擴散，因為在晶格缺陷不是太多的情況下，電子只能保持原本的方向，除非其自旋被改變。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。其實，在理論文獻確認其可能性之前，科學家早就發現了鉍的這種現象。此前，已知的拓撲絕緣體都是一階的，其特征是電流存在于較物體本身少一個維度的界面：當物體是三維的，電流流經物體的各個面;而如果是幾乎平面的物體，那電流只流經各個棱邊。

新一輪材料革命

過去，鉍的研究一度被束之高閣，至少純鉍如此，因為理論上來說，它不是一階拓撲絕緣體。而現在，科學家發現它實際上是二階拓撲絕緣體，即電流沿著比物體少兩個維度的路徑流動。也就是說，在一個鉍的立方體中，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過。當然，這一現象目前僅在低溫真空環境下得以實現，而且需要極其精細的工序。這種限定在二階拓撲絕緣體棱邊的電流依然遵循著和一階拓撲絕緣體相同的量子定律。這是其獨特的電子結構決定的：晶體核心的靜態原子似乎會連續兩次把自由電子往邊緣趕，直至后者都集中在棱邊……而一支由中國和美國科學家組成的科研團隊最近研究發現，鉍其實也是一階拓撲絕緣體，不過僅限于某個非常特殊的晶體表面——這又開辟了一個新概念，即晶體拓撲學。拓撲絕緣體領域剛剛開始萌芽，而鉍已被奉為其中最具前景的材料。令人期待的是，接下來將要發生什么，以及鉍在其中將扮演怎樣的角色。這個原本在元素周期表中并不起眼的金屬，未來即將掀起材料科學領域的新一輪革命。