作為2016年諾貝爾物理學獎的“得主”，拓撲絕緣體的命名源於其內部絕緣、外部導電的特點。
自從一類被稱為
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電晶體、癌症掃描鐳射器和高於5G代次的自由空間通訊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，材料可分為“導體”和“絕緣體”兩大類。而拓撲絕緣體是一種內部絕緣，介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，這些量子態位於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產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。儘管這些奇怪的、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，可以發展成為未來的技術。
作為數學的一個分支，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。
在拓撲學裡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；足球和橄欖球，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。
而游泳圈的表面和足球的表面則有不同的拓撲性質，比如游泳圈中間有個“洞”。在拓撲學中，足球所代表的空間叫做球面，游泳圈所代表的空間叫環面，球面和環面是“不同”的空間。
藉助拓撲學，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干擾時將保持不變。
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，基於電子拓撲絕緣體的電晶體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：
“我們預計拓撲電晶體可以取代傳統的半導體電晶體，在相同體積下，拓撲電晶體使用的能量要少得多。”
眾所周知，為了將資料表示為1和0，需要在一種電態和另一種電態之間切換電晶體，而這種切換需要最低限度的電壓。
於是，研究人員探索了用電子拓撲絕緣體取代用於製造電晶體的傳統半導體。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為電晶體的“開啟”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，從而成為電晶體的“關閉”狀態。
透過使用合適的拓撲材料，科學家們計算出，拓撲電晶體可以只消耗標準電晶體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晶片更有效率，拓撲電晶體可以做到這一點。”
落實到工業生產上，拓撲電晶體的一個可能的候選者是鉍烯（Bismuthene），這是一種以蜂窩狀晶格排列的單層鉍原子。Fuhrer說：“這項工作需要大量的時間，也許會超過十年以上。”
鉍烯
▍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鐳射器，它可能顯示出比傳統裝置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鎵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，並作為鐳射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：“我們能夠建立光子結構，使光能夠透過而沒有散射損失或反射。
據介紹，這種鐳射器在太赫茲（THz）頻率下工作，可用於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鎵銦和砷化鋁銦層的拓撲鐳射器，以發射中紅外波長，對探測和分析空氣汙染物、鐳射雷達感測器或高於5G代次的自由空間通訊等應用非常有用。
▍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，但被稱為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產生馬約拉納費米子（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位元（Qubit），量子位元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，量子位元通常是脆弱的，但拓撲超導體的馬約拉納費米子可以對干擾進行拓撲保護，科學家們認為這一特點可以催生出實用的量子計算機。馬里蘭大學帕克分校的凝聚態物質理論家Ruixing Zhang說：
“拓撲量子位元是人們對拓撲超導感興趣的最重要原因。”
然而，到目前為止，還沒有出現關於拓撲超導體或馬約拉納費米子存在的結論性證據。2018年微軟支援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。
儘管如此，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，拓撲半金屬位於金屬和絕緣體之間。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為電的能力，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為金屬或絕緣體，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，而能量耗散幾乎為零，這使得它們有可能用於超低功率的電子產品。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，砷化鉭可以從光中產生比其他材料多10倍以上的內在電流。
這種效應發生在中紅外光下，這表明砷化鉭可以在化學和熱成像中找到用途。Burch說：“你可以理解為把把從高溫物體上排放出來的廢棄紅外輻射轉化為有用的電能。”
幾十年來，科學家們可能忽略了許多拓撲半金屬的顯著特徵。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於設計新材料，而在於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