拓扑材料变得可切换

甜甜圈不是早餐卷。这是两个非常清晰可辨的物体：一个有洞，另一个没有。在数学中，据说这两种形状在拓扑上是不同的——你不能通过小的、连续的变形将一种形状转换成另一种形状。因此，它们之间的区别对于扰动是稳健的：即使你揉捏和弯曲小圆面包，它仍然看起来不像甜甜圈。

这种拓扑性质在材料科学中也发挥着重要作用，尽管是以某种更抽象的方式。如果一种材料特性可以用拓扑来解释，那么它对干扰也是鲁棒的：环境条件的变化不会使其消失。现在，一个研究小组第一次成功地专门切换了这样的拓扑特性：某些材料状态在很宽的参数范围内是稳定的，不受干扰，但在一定的磁场下它们可以完全关闭。这使得拓扑材料属性首次可操作。

抽象空间中的几何

在物理学中，材料的“拓扑特性”与其几何形状无关——它与环形或球形的晶体样品无关。相反，术语“拓扑特性”是指材料中许多电子的复杂相互作用。

这种相互作用可以用非常具体的方式在数学上表示。不考虑电子的位置，而是考虑它们的动量，或者换句话说：考虑它们在抽象的“动量空间”中的位置，通常是有用的。在这样的数学空间中，可以研究材料的某些特性，这些特性可以根据拓扑标准相互区分——类似于甜甜圈和面包。

“发现这样的拓扑性质本身就是一件令人兴奋的事情;2016年，诺贝尔物理学奖因这些状态的发现而被授予，”维也纳工业大学固态物理研究所的SilkeBühler-Paschen教授说。“但我们现在已经能够展示一些全新的东西：我们第一次成功地操纵甚至关闭了这种拓扑状态。”

对慢速载流子的极端拓扑效应

为此使用了一种由铈、铋和钯制成的特殊材料。Bühler-Paschen的研究小组在前几年使用这种材料已经取得了一些惊人的发现。例如，他们能够通过精确测量其电学或热学特性来展示这种材料的奇异拓扑行为。

这种行为是由于这种材料中的电荷以一种特殊的方式移动的事实。在普通的导电材料中，电流仅由穿过材料的单个电子流动。然而，在这种特殊的材料中，它是不同的。

许多电荷载流子的相互作用在这里产生了非常特殊的“准粒子”——可以通过材料传播的电荷载流子的集体激发，类似于声音可以作为密度波在空气中传播，而无需单个空气粒子从声音中移动声音接收器的来源。

这些激发在这种材料中移动非常缓慢。从某种意义上说，他们并没有很好地超越对方。这导致了这样一个事实，即动量空间中材料的拓扑性质在这种情况下具有特别强烈的后果。

关闭拓扑属性

Bühler-Paschen说：“我们的测量结果表明，这些电学和热学特性确实是稳健的，正如人们对拓扑材料特性所期望的那样。”小的杂质或外部干扰不会带来巨大的变化。“但令人惊讶的是，我们发现：通过外部磁场，你可以控制这些拓扑特性。你甚至可以让它们在某个点完全消失。所以我们拥有稳定、强大的特性，你可以选择性地打开和关闭。”

这种控制是通过激发的内部结构实现的，激发的内部结构负责电荷传输：它们不仅携带电荷，还携带磁矩——这使得通过磁场切换它们成为可能。

“如果你施加越来越强的外部磁场，你可以想象这些电荷载流子被推得越来越近，直到它们相遇并相互湮灭——类似于物质粒子和反物质粒子如果让它们发生碰撞，”Silke说布勒-帕申。

全球搜索令人兴奋的应用

这些实验是在TUWien(维也纳)进行的，但对于一些额外的测量，该团队能够使用位于奈梅亨(荷兰)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(美国)的高场实验室。美国莱斯大学提供理论支持。

SilkeBühler-Paschen坚信：“这种新发现的可控性使得已经在物理学中引起如此多关注的拓扑材料变得更加有趣。”

可能，可切换拓扑状态可用于传感器或切换技术。正是因为材料中的激发非常慢，因此具有非常低的能量，所以它们特别有趣：激发与微波范围内的辐射耦合，这对于许多技术应用尤其重要。包括量子计算机在内的电子产品中全新的、更具异国情调的应用也是可以想象的。