拓?fù)浣^緣體的概念

拓?fù)浣^緣體是一種內(nèi)部絕緣，界面允許電荷移動的材料。在拓?fù)浣^緣體的內(nèi)部，電子能帶結(jié)構(gòu)和常規(guī)的絕緣體相似，其費(fèi)米能級位于導(dǎo)帶和價帶之間。在拓?fù)浣^緣體的表面存在一些特殊的量子態(tài)，這些量子態(tài)位于塊體能帶結(jié)構(gòu)的帶隙之中，從而允許導(dǎo)電。這些量子態(tài)可以用類似拓?fù)鋵W(xué)中的虧格的整數(shù)表征，是拓?fù)湫虻囊粋�特例。

按照導(dǎo)電性質(zhì)的不同，材料可分為“導(dǎo)體”和“絕緣體”兩大類；而更進(jìn)一步，根據(jù)電子態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)的不同，“絕緣體”和“導(dǎo)體”還可以進(jìn)行更細(xì)致的劃分。拓?fù)浣^緣體就是根據(jù)這樣的新標(biāo)準(zhǔn)而劃分的區(qū)別于其他普通絕緣體的一類絕緣體。因而，拓?fù)浣^緣體的體內(nèi)與人們通常認(rèn)識的絕緣體一樣，是絕緣的，但是在它的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)，這是它有別于普通絕緣體的最獨(dú)特的性質(zhì)。這樣的導(dǎo)電邊緣態(tài)在保證一定對稱性（比如時間反演對稱性）的前提下是穩(wěn)定存在的，而且不同自旋的導(dǎo)電電子的運(yùn)動方向是相反的，所以信息的傳遞可以通過電子的自旋，而不像傳統(tǒng)材料通過電荷來傳遞。

拓?fù)浣^緣體的特性

拓?fù)浣^緣體是一種具有新奇量子特性的物質(zhì)狀態(tài)，物理學(xué)的重要科學(xué)前沿之一。根據(jù)能帶理論，傳統(tǒng)上固體材料可以按照其導(dǎo)電性質(zhì)分為絕緣體、導(dǎo)體和半金屬，其中絕緣體材料在其費(fèi)米能處存在著有限大小的能隙，因而沒有自由載流子；金屬材料在費(fèi)米能級處存在著有限的電子態(tài)密度，進(jìn)而擁有自由載流子；半導(dǎo)體材料在費(fèi)米能處沒有能隙，但是費(fèi)米能級處的電子態(tài)密度仍然為零。而拓?fù)浣^緣體是一類非常特殊的絕緣體，從理論上分析，這類材料的體內(nèi)的能帶結(jié)構(gòu)是典型的絕緣體類型，在費(fèi)米能處存在著能隙，然而在該類材料的表面則總是存在著穿越能隙的狄拉克型的電子態(tài)，因而導(dǎo)致其表面總是金屬性的。拓?fù)浣^緣體這一特殊的電子結(jié)構(gòu)，是由其能帶結(jié)構(gòu)的特殊拓?fù)湫再|(zhì)所決定的。

拓?fù)浣^緣體的研究現(xiàn)狀：

第一代， HgTe量子井

第二代， BiSb 合金

第三代， Bi₂Se₃， Sb₂Te₃， Bi₂Te₃等化合物

從理論上說，拓?fù)浣^緣體是由電荷的U(1)對稱性以及時間反演對稱性共同保護(hù)的拓?fù)鋺B(tài)。只要U(1)對稱性和時間反演對稱性同時存在，拓?fù)浣^緣體的邊緣態(tài)就一定是非平庸的，并且，這樣的邊緣態(tài)絕對不能在有同樣對稱性的低維度系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。在理論上人們已經(jīng)意識到，其他的對稱性同樣可以保護(hù)類似的拓?fù)浣^緣體（或者拓?fù)涑瑢?dǎo)體，取決于對稱性中是否包括電荷的U(1)對稱性）。并且，從2009年以來，人們已經(jīng)對沒有相互作用的費(fèi)米子系統(tǒng)的所有拓?fù)浣^緣體或者拓?fù)涑瑢?dǎo)體進(jìn)行了成功分類。2011年以來，拓?fù)浣^緣體的概念已經(jīng)被拓展成為一個更為寬泛的概念：symmetry protected topological states. 凝聚態(tài)理論物理學(xué)界已經(jīng)對各個維度的玻色子系統(tǒng)中的symmery protected topological states進(jìn)行了較為完整的分類。但是對于所有維度的有強(qiáng)相互作用的費(fèi)米子系統(tǒng)中symmetry protected topological states的分類還沒有最后完成。

從現(xiàn)象上說，拓?fù)浣^緣體有其他絕緣體所不具備的特殊性質(zhì)。比如，根據(jù)理論預(yù)測，三維拓?fù)浣^緣體與超導(dǎo)體的界面上的vortex core中將會形成零能majorana 費(fèi)米子，這一特點(diǎn)有可能實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎恪?/p>