作爲2016年諾貝爾物理學獎的“得主”，拓撲絕緣體的命名源于其內部絕緣、外部導電的特點。

自從一類被稱爲拓撲絕緣體（Topological Insulator）的新材料誕生以來，研究人員就對其在超低能量晶體管、癌症掃描激光器和高于5G代次的自由空間通信等電子應用上的可能性興趣陡增。

一般來說，按照導電性質的不同，材料可分爲“導體”和“絕緣體”兩大類。而拓撲絕緣體是一種內部絕緣，界面允許電荷移動的材料。在拓撲絕緣體的內部，電子能帶結構和常規的絕緣體相似，在拓撲絕緣體的表面存在一些特殊的量子態，這些量子態位于塊體能帶結構的帶隙之中，從而允許導電。

更令人驚訝的是，拓撲絕緣體似乎只是可能産生的奇異電和光學半金屬、超導體和其他形式的物質中的第一個。盡管這些奇怪的、有時是離奇的化合物目前可能令人困惑，但研究人員已經發現，這些材料可以擁有特殊的屬性，可以發展成爲未來的技術。

作爲數學的一個分支，拓撲學是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能保持不變的一些性質的學科。

在拓撲學裏不討論兩個圖形全等的概念，但是討論拓撲等價的概念。比如，圓和方形、三角形的形狀、大小不同，但在拓撲變換下，它們都是等價圖形；足球和橄榄球，也是等價的—-從拓撲學的角度看，它們的拓撲結構是完全一樣的。

而遊泳圈的表面和足球的表面則有不同的拓撲性質，比如遊泳圈中間有個“洞”。在拓撲學中，足球所代表的空間叫做球面，遊泳圈所代表的空間叫環面，球面和環面是“不同”的空間。

借助拓撲學，研究人員在2007年開發了第一個電子拓撲絕緣體。沿著這些材料的邊緣或表面快速移動的電子受到“拓撲保護”，這意味著電子流動的模式在面對它們可能遇到的任何幹擾時將保持不變。

而在未來，拓撲材料更是有可能深刻影響電子和光子學的發展！

電子拓撲絕緣體

澳大利亞的科學家們提出，基于電子拓撲絕緣體的晶體管可以幫助計算機節省大量的能源。墨爾本莫納什大學的物理學家Michael Fuhrer說：“我們預計拓撲晶體管可以取代傳統的半導體晶體管，在相同體積下，拓撲晶體管使用的能量要少得多。”

衆所周知，爲了將數據表示爲1和0，需要在一種電態和另一種電態之間切換晶體管，而這種切換需要最低限度的電壓。

于是，研究人員探索了用電子拓撲絕緣體取代用于制造晶體管的傳統半導體。當這些材料像它們通常那樣表現時，它們的導電邊緣可以作爲晶體管的“開啓”狀態發揮作用。但當施加電場時，它們就不再像電子拓撲絕緣體那樣起作用，因此不再具有導電邊緣，從而成爲晶體管的“關閉”狀態。

通過使用合適的拓撲材料，科學家們計算出，拓撲晶體管可以只消耗標准晶體管的一半電壓和四分之一的能量。Fuhrer說：“今天的計算機使用了世界電力的8%到10%，並且每十年翻一番。所以我們需要一種新的技術來使計算機芯片更有效率，拓撲晶體管可以做到這一點。”

落實到工業生産上，拓撲晶體管的一個可能的候選者是铋烯（Bismuthene），這是一種以蜂窩狀晶格排列的單層铋原子。Fuhrer說：“這項工作需要大量的時間，也許會超過十年以上。”

铋烯

光子拓撲絕緣體

2009年，科學家們開發了光子拓撲絕緣體，其中的光同樣受到“拓撲保護”。這些材料的結構導致特定波長的光沿其外表面流動，甚至在拐角和缺陷處也沒有損失或散射。

而與電子拓撲絕緣體相比，第一個找到實際用途的拓撲絕緣體事實上也可能是光子。其中一個潛在的應用是包含拓撲保護的激光器，它可能顯示出比傳統設備更好的效率和對缺陷的魯棒性。

新加坡南洋理工大學的科學家們就從一種由砷化镓和砷化鋁層組成的晶圓開始。當帶電時，該晶圓會發出明亮的光。研究人員在晶圓上鑽了一排孔，每個孔都像一個修剪了邊角的等邊三角形。在這個晶格周圍，研究人員又鑽了一些形狀相同但方向相反的孔。來自晶圓的光沿著不同孔組之間的邊界流動，並作爲激光束從附近的通道出現。

事實證明，這種流動應對缺陷（包括科學家們鑽的額外的孔）十分有效。王岐捷教授說：”我們能夠創建光子結構，使光能夠通過而沒有散射損失或反射。

據介紹，這種激光器在太赫茲（THz）頻率下工作，可用于癌症篩查和機場安全掃描。王岐捷教授和他的同事們目前正在探索使用夾在一起的砷化镓铟和砷化鋁铟層的拓撲激光器，以發射中紅外波長，對探測和分析空氣汙染物、激光雷達傳感器或高于5G代次的自由空間通信等應用非常有用。

拓撲超導體

雖然拓撲絕緣體在其外部擁有受拓撲保護的電子或光子，但被稱爲拓撲超導體的一類不尋常的超導體可能在其表面擁有難以捉摸的理論粒子，這可能推動量子計算的重大進步。

拓撲超導體通常是由超導金屬與半導體耦合而成。這些材料之間的相互作用可以産生馬約拉納費米子（Majorana fermions），一種反粒子就是它本身的費米子。

馬約拉納費米子可以被用作量子比特（Qubit），量子比特是大多數量子計算機的核心，理論上，這種計算機一瞬間的計算量比宇宙中的原子還要多。

傳統上，量子比特通常是脆弱的，但拓撲超導體的馬約拉納費米子可以對幹擾進行拓撲保護，科學家們認爲這一特點可以催生出實用的量子計算機。馬裏蘭大學帕克分校的凝聚態物質理論家Ruixing Zhang說：“拓撲量子比特是人們對拓撲超導感興趣的最重要原因。”

然而，到目前爲止，還沒有出現關于拓撲超導體或馬約拉納費米子存在的結論性證據。2018年微軟支持的一項研究聲稱發現了兩者的有力證據，但這項工作最終在2021年被撤回。

盡管如此，研究人員仍對確認拓撲超導體的存在抱有希望。張和他的同事建議研究鐵基超導體的薄膜，而其他人則建議研究石墨烯等材料。

拓撲半金屬

就其導電或導熱能力等特性而言，拓撲半金屬位于金屬和絕緣體之間。世界各地的科學家越來越多地發現，這些材料可以擁有非凡的特性，如幾乎無耗散的電流，以及比其他任何材料都能將更多的光轉化爲電的能力，這暗示其存在廣泛的潛在應用，如超低功率電子器件和利用廢熱發電。

現今，世界上存在著各種拓撲半金屬，如狄拉克半金屬（Dirac semimetal）、韋爾半金屬（Weyl semimetal）、多重費米子半金屬等等，每一種都在拓撲學上與其他的不同。傳統的半金屬可以隨著溫度的變化或其化學組成的輕微調整而輕易地轉換爲金屬或絕緣體，而拓撲半金屬則頑固地保持其半金屬性質。

東京工業大學的物理學家Masaki Uchida說，就像石墨烯一樣，電流可以在拓撲半金屬中流動，而能量耗散幾乎爲零，這使得它們有可能用于超低功率的電子産品。新加坡科技大學的物理學家Yee Sin Ang說，與此同時，研究人員可以在理論上改變拓撲半金屬的厚度來調整它們的特性，而石墨烯的厚度是有限的，因此設計的靈活性較差。

此外，拓撲半金屬也可以顯示出意想不到的特性，例如，波士頓學院的物理學家Ken Burch和他的同事發現，砷化钽可以從光中産生比其他材料多10倍以上的內在電流。

這種效應發生在中紅外光下，這表明砷化钽可以在化學和熱成像中找到用途。Burch說：“你可以理解爲把把從高溫物體上排放出來的廢棄紅外輻射轉化爲有用的電能。”

幾十年來，科學家們可能忽略了許多拓撲半金屬的顯著特征。麻省理工學院的理論物理學家Benjamin Wieder就說：“拓撲材料發現和應用的未來可能不在于設計新材料，而在于重新發現具有被忽視特性的有趣材料。”

參考資料：https://spectrum.ieee.org/semiconductors/materials/a-beginners-guide-to-topological-materials