物理学家推测，一种被称为三维拓扑绝缘体(TI)的新型材料可能是制造量子比特的一个很好的候选者，它可以从这些错误中恢复过来，并保护量子信息不丢失。这种材料既具有绝缘的内部，又具有导电的金属上下表面。三维拓扑绝缘体最重要的特性是其导电表面可以免受周围环境的影响。很少有研究通过实验测试它在现实生活中的表现。

犹他大学的一项新研究发现，事实上，当绝缘层薄到16个五倍原子层时，顶部和底部的金属表面开始相互影响并破坏它们的金属特性。实验表明，相对的表面在比先前研究显示的更厚的绝缘内部开始相互影响，可能接近一种罕见的理论现象，即随着内部变薄，金属表面也变得绝缘。

“拓扑绝缘体可能是未来量子计算的重要材料。我们的发现揭示了这个系统的一个新的局限性，”犹他大学物理学助理教授、该研究的通讯作者维克拉姆·德什潘德说。“研究拓扑绝缘体的人需要知道它们的极限是什么。事实证明，当你接近这个极限时，当这些表面开始相互“交谈”时，新的物理现象就会出现，这本身也很酷。”

这项新研究于2019年7月16日发表在该杂志上物理评论快报。

用拓扑绝缘体做成的邋遢三明治

Deshpande说，把一本精装教科书想象成一个三维拓扑绝缘体。书的大部分是书页，这是一个绝缘层——它不能导电。精装书本身代表金属表面。十年前，物理学家发现这些表面可以导电，一个新的拓扑场诞生了。

Deshpande和他的团队利用3-D ti将5个几个原子薄的不同材料层堆叠成松散的三明治状结构，创造出了这种设备。三明治的主体核心是拓扑绝缘体，由几层五层硒化铋锑碲(Bi2-xSbxTe3-ySey)制成。这个核心被几层氮化硼夹在中间，上面和下面分别有两层石墨。石墨的工作原理就像金属门一样，本质上创造了两个控制电导率的晶体管。去年，Deshpande领导的一项研究表明，这种拓扑配方制造了一种装置，它的行为就像你所期望的那样——大块绝缘体，可以保护金属表面免受周围环境的影响。

在这项研究中，他们操纵了3d TI器件来观察其性质是如何变化的。首先，他们构建了范德华异质结构——那些邋遢的三明治——并将它们暴露在磁场中。Deshpande的团队在他犹他大学的实验室里测试了许多，第一作者Su Kong Chong是犹他大学的博士候选人，他前往塔拉哈西的国家强磁场实验室，在那里使用该国最高的磁场之一进行了同样的实验。在磁场的作用下，金属表面出现了一个棋盘图案，显示了电流在表面上移动的路径。棋盘由两个栅极上的量子化电导率和电压组成，网格在整齐的交叉点相交，使研究人员能够跟踪表面上的任何畸变。

他们从100纳米厚的绝缘层开始，大约是人类头发直径的千分之一，然后逐渐变薄到10纳米。这个图案开始扭曲，直到绝缘层达到16纳米厚时，交叉点开始断裂，形成一个缺口，表明表面不再导电。

“从本质上讲，我们已经把金属变成了在这个参数空间里绝缘的东西。这个实验的关键在于，我们可以可控地改变这些表面之间的相互作用。”“我们一开始让它们完全独立，是金属的，然后开始让它们越来越近，直到它们开始‘说话’，当它们真的很近的时候，它们基本上是分开的，变成绝缘的。”

此前在2010年和2012年进行的实验也观察到，随着绝缘材料变薄，金属表面的能隙出现了。但这些研究得出的结论是，能隙出现在更薄的绝缘层上，只有5纳米大小。这项研究观察到金属表面性质在更大的内部厚度下分解，达到16纳米。其他实验使用不同的“表面科学”方法，他们通过带有非常锋利的金属尖端的显微镜观察材料，单独观察每个原子，或者用高能量光研究它们。

德什潘德说:“这些都是非常复杂的实验，与我们正在做的设备创造相距甚远。

接下来，Deshpande和他的团队将更仔细地研究在表面上产生能量缺口的物理现象。他预测，根据材料的厚度，这些间隙可以是正的，也可以是负的。

其他参与这项研究的作者是来自美国材料科学与工程系的Kyu Bum Han和Taylor Sparks。