導語：基於夾在氮化硼之間的二維材料鎢二碲化物的晶體管可以在兩種不同的電子狀態之間切換一種僅沿其邊緣傳導電流，使其成為拓撲絕緣體，並且在沒有電阻的情況下傳導電流使其成為超導體，麻省理工學院的研究人員和其他四個機構的同事都證明了這一點。
研究人員使用四探針測量，一種常用的量子電子傳輸技術來測量材料的電子行為，繪製了二維鎢二碲化物晶體管的電流承載能力和電阻特性，並證實了他們在一系列外加電壓和外部電壓下的發現。極低溫度下的磁場。
“這是第一次將完全相同的材料調整為拓撲絕緣體或超導體，”麻省理工學院Cecil和Ida Green物理教授Pablo Jarillo-Herrero說。“我們可以通過使用常規標準電介質的常規電場效應來實現這一點，因此基本上與標準半導體電子設備中使用的技術類型相同。”
新一類材料，“這是一種新型材料拓撲絕緣子中的第一種，可以通過電氣方式調諧到超導體中，這為在實現重大障礙之前開闢了許多可能性，”Jarillo-Herrero說。“有一種材料可以在同一種材料中無縫地完成，以便在這種拓撲絕緣體和超導體之間轉換，這是非常有吸引力的。”
鎢二碲化物是過渡金屬二硫化物材料之一，被歸類為半金屬，並且像散裝形式的金屬一樣導電。新發現詳細說明，在單層晶體形式中，在小於1開爾文至液氮範圍（-320.4華氏度）的溫度下，鎢二碲化物具有三個不同的相：拓撲絕緣，超導和金屬。施加的電壓驅動這些相之間的過渡，這些過渡隨溫度和電子濃度而變化。在超導材料中，電子在沒有電阻的情況下流動而不產生熱量。
像量子線一樣，今年早些時候，研究人員在同一單層鎢二碲化物材料中展示了量子自旋霍爾效應（QSH），這是二維拓撲絕緣體的標誌性物理現象。該邊緣電流由電子的自旋而不是由它們的電荷控制，並且相反自旋的電子在相反的方向上移動。這種拓撲性質在低溫下始終存在於材料中。
這種量子自旋霍爾效應持續到約100開爾文（-279.67華氏度）的溫度。“所以它是迄今為止溫度最高的2-D拓撲絕緣體，”博士後三峰吳說，他也是早期論文的第一作者。“對於這樣一個有趣的量子態來說，在高溫下生存以用於應用是非常重要的。”
這種行為，其中鎢二碲化物材料的邊緣像量子線一樣，在2014年由物理學副教授梁甫和核科學與工程與材料科學與工程教授朱莉的理論論文中預測。尋求具有這些品質的材料用於自旋電子和量子計算裝置。雖然在高達100開爾文時觀察到拓撲絕緣現象，但新工作中的超導行為發生在約1K的低得多的溫度下。
該材料的優點是，對於任何2-D超導體，其具有最低電子密度之一的超導狀態。“這意味著使其成為超導體所需的小載流子密度是可以通過正常電介質，常規電介質和使用小電場引起的小載流子密度，”Jarillo-Herrero解釋說。
在第一篇論文中解決二維鎢碲化物拓撲絕緣行為的發現，以及第二篇中超導電性的研究結果，吳說：“這些是雙胞胎論文，每一篇都是美麗的，它們組合在一起可以非常強大“。Wu表示，這些研究結果指出了研究二維拓撲材料的方法，並可能為拓撲量子計算機找到新的材料基礎。
鎢二碲化物晶體在普林斯頓大學生長，而氮化硼晶體在日本國立材料科學研究所生長。麻省理工學院的團隊建立了實驗裝置，在超低溫下進行了電子傳輸測量，並對研究所的數據進行了分析。
走向量子計算，這種新功能可能有用的特定領域是在拓撲絕緣和超導材料的界面處實現Majorana模式。物理學家在1937年首次預測，Majorana費米子可以被認為是電子分裂成兩部分，每一部分都表現為一個獨立的粒子。這些費米子在自然界中尚未被發現為基本粒子，但可以在絕對零溫度附近的某些超導材料中出現。
“從物理學的基本觀點來看，它本身很有意思，此外，它有望成為拓撲量子計算的興趣，拓撲量子計算是一種特殊類型的量子計算，”Jarillo-Herrero說。
Majorana模式的獨特之處在於當他們交換位置時他們的異國行為，物理學家稱之為“編織”的操作，因為這些交換粒子的時間依賴性痕跡看起來像辮子。編織操作不能改變像電子或光子這樣的規則粒子的量子態，但是編織Majorana粒子會完全改變它們的量子態。這種不尋常的屬性，被稱為“非阿貝爾統計”，是實現拓撲量子計算機的關鍵。在一個位置固定Majorana模式也需要磁隙。
“這項工作非常漂亮，”加州理工學院理論物理學教授Jason Alicea說，他沒有參與這項研究。“通過磁力設計Majorana模式所需的基本成分，超導性和邊緣狀態的間隙，現在已在WTe2中單獨論證。”
結語：“此外，通過門控對內在超導性的觀察可能是Majorana模式的高級應用的一個重要福音，例如，編織以證明非阿貝爾統計。為此，可以設想設計複雜的，動態可調的超導量子，旋轉網絡。通過靜電方式實現的邊緣狀態。“ 愛麗莎說。“可能性非常令人興奮。”
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