研究人员揭示了拓扑绝缘体中无损能量传输的现实

拓扑绝缘体为实现无损能量传输带来了令人兴奋的希望，这在超低温下也是如此。然而，拓扑绝缘体在室温下无法保持这种无损的“魔力”

隶属于FLEET中心的莫纳什大学的研究人员发现了拓扑绝缘体效率的新见解，揭示了它们在超低温下神奇的无损能量传输与室温下出现的有害问题之间的显著差异

这项发表在《纳米尺度》上的研究调查了为什么拓扑绝缘体在实际工作环境中保持其特征面临严重挑战，特别是电子-声子相互作用的作用

拓扑绝缘体，特别是二维（2D）拓扑绝缘体，以其独特的特征而闻名，即在体表面保持电绝缘的同时通过边界/边缘导电

这一独特功能允许单向载流子传输而无需反向散射，由此产生的散射诱导电阻可以忽略不计，从而带来了无耗散载流子传输的期望

事实上，在超低温下，这些拓扑绝缘体通常表现出无耗散的载流子输运，符合预期。然而，当温度上升到室温时，维持这一特征面临着严峻的挑战，在室温下，声子（晶格振动的量子）与载流子起作用

这项研究对不同温度下二维拓扑绝缘体中载流子和声子之间的相互作用以及能量输运进行了深入分析

电子和声子之间的相互作用（即电子-声子相互作用）在观察到的电阻显著增加中起着至关重要的作用

理论建模表明，电子-声子散射是拓扑边缘态反向散射的重要来源，相互作用的强度与电子边缘态的色散密切相关

相互作用随着温度的升高而显著增加，与钝化边缘的线性分散边缘状态相比，天然边缘的非线性分散边缘状态的相互作用更强，导致在200-400 K的温度范围内存在显著的能量耗散。

因此，这项研究阐明了超低温和实际操作室温度下的性能差异

“由于我们在这项研究中考虑了线性和非线性边缘色散，我们的结果可以适用于各种拓扑绝缘体，”该研究的主要作者Enamul Haque说

提高对二维拓扑绝缘体边缘电子-声子散射作用的基本理解，对于推进基于二维拓扑绝缘体的未来电子学技术至关重要。然而，之前的工作主要集中在3D拓扑绝缘体的表面态和2D拓扑绝缘体的绝缘表面上

这项研究的理解可以指导寻找新的量子材料或如何克服现有的局限性。通过在室温下克服这些问题，科学家们可以在实现拓扑绝缘体在实际技术中的全部潜在应用方面取得进展，例如量子晶体管和量子器件

首席研究员兼FLEET首席研究员Nikhil Medhekar教授说：“清楚地了解拓扑边缘态中的电子-声子相互作用可以帮助在量子比特中发展强大的量子退相干，这可能会增强量子计算机的稳定性和可扩展性。” More information: Enamul Haque et al, Electron–phonon interactions at the topological edge states in single bilayer Bi(111), Nanoscale (2024). DOI: 10.1039/D4NR02172J

Journal information: Nanoscale