拓扑绝缘体是具有迷人特性的材料：电流仅沿其表面或边缘流动，而材料的内部则表现为绝缘体。2007年德国巴伐利亚州Julius-Maximilians-Universität(JMU)Würzburg的Laurens Molenkamp教授率先通过实验证明了这种拓扑态的存在，他的团队利用基于汞和碲的量子阱(HgTe)完成了这项开创性研究。从那时起，这些新颖的材料就成为了新一代元件的希望，例如，这些组件有望实现信息技术的创新。

JMU物理学家们现在已经第一次成功地为这些元件构建了一个基本元素-量子点接触(QPC)，并发表在在《自然物理》期刊上展示了这一成就。量子点接触在其他二维结构中是准一维收缩，而二维结构只有几个原子层薄。

在拓扑量子阱中，导电态仅位于边缘，这些边缘态在量子点接触处空间合并，这种接近使得研究边缘状态之间的潜在相互作用成为可能。这个实验之所以能成功，是因为光刻方法取得了突破，它使科学家能够在不损害拓扑材料的情况下，创造出令人难以置信的小结构。

这项技术将使科学家们在不久的将来，在拓扑纳米结构中发现令人印象深刻的新颖效果。通过相互作用的反常电导行为，使用复杂的制造过程，JMU物理学家成功地精确而温和地构造了瓶颈，这种技术进步使他们能够使系统的拓扑属性功能化。在此背景下，Laurens Molenkamp教授和Björn Trauzettel教授领导的团队首次能够使用反常电导信号演示系统不同拓扑态之间的相互作用效应。维尔茨堡的研究人员将所分析拓扑量子点接触的这种特殊行为，归因于一维电子系统的物理。

一维中的相互作用电子

如果在一个空间维度上分析电子相关性，电子就会以有序的方式移动（不像在二维或三维空间维度中那样）因为不可能“超越”先前的电子。从图画上讲，在这种情况下，电子的行为就像链条上的珍珠。一维系统的这种特殊性质导致产生了有趣的物理现象，强库仑相互作用和自旋轨道耦合的相互作用在自然界中是罕见的。因此，预计这个系统将在未来几年产生根本性的发现。

拓扑量子点接触是近年来在理论上预测的许多应用的基本组成部分。这种类型的一个特别突出例子是约拉纳费米子的可能实现，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳早在1937年就预言了这一点，这些激发在拓扑量子计算机方面具有很好的应用潜力。为此，不仅检测马约拉纳费米子，而且能够随意控制和操纵它们，这是非常重要的。拓扑量子点接触首先在JMU Würzburg实施，在这方面提供了令人兴奋的前景。

博科园｜研究/来自：维尔茨堡大学

参考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-019-0692-4

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