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TBBT第4季14集: 戏剧催化课(附视频)

(文/大卫·萨尔兹保)石墨烯已经过时了,现在是碲化物的时代。

在谢耳朵的讲座里,他和学生们(还有1500万观众)分享了最近在铋、碲和锡的某些化合物中发现的奇怪现象。奇怪的新物质既是导体也是绝缘体。这些碲化物兄弟们都是最近发现的新材料家族的一份子,正如谢耳朵所说,这个家族名叫拓扑绝缘体。

在典型塑料材料中,基本结构的电子固定不动。因为这些材料可以防止导体短路,所以被称作绝缘体。相对于最好的导电体,绝缘材料电子的导电性为10的26次方分之一,也就是10,000,0000,000,000,000,000,000,000分之一。物理学中很少能看到如此庞大的数量级变化。

今晚的白板上,观众朋友们看到了碲化铋、碲化镉、碲化汞客串出场。这些材料总体绝缘但表面却导电。这是为什么呢?

聪明的年轻人可能已经想到通过电镀某些塑料可以得到同样的效果。这是理查德•费曼的研究成果之一。但是这和新材料的原理截然不同,因为它要用两种材料才能达到同样的效果。物理学家们从未想过一种材料就可以产生这个现象。

新材料与常规绝缘体的不同之处在于“拓扑”。这个表述来源于数学的分支——拓扑学,一项研究物体基本形状的学科。你可以把一个甜甜圈伸展成咖啡杯(一个孔),但无法把它变成带有两个孔的物体。同样的,常规绝缘体电子轨道的基本结构可由一个简单的环表示,而“拓扑”环与最简单结构完全不同——它是三叶结结构。

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拓扑绝缘体的电子轨道结构类似于三叶结

电子自旋和轨道角动量的相互作用形成了三叶结的数学结构。而你们的科学顾问也无法理解为什么这种材料表面会发生如此明显的变化:拓扑绝缘体变得与金属类似并且导电,而常规绝缘体却仍不导电。如果你们有好的想法,那么就请留言吧!

科学家们曾观测到相似的效应是在难以建立的平面结构中。不过,就像好莱坞一样,物理学家们因为碲化铋的到来步入了三维时代。拓扑绝缘体可以通过标准的半导体制造工艺生成。既导电又绝缘的拓扑绝缘体不是“温室”的花朵,只能在真空或强冷却的昂贵实验室中生存。这些材料的性质在室温下也维持不变,哪怕是放在实验室的板凳上或是在手中把玩。

近五年类似的研究持续升温,科学家们发现了许多其他化合物,它们不仅带有拓扑绝缘体的双重属性,而且通过铋、硒、铜的晶体结构还可以实现超导,电子在移动中没有任何损耗。

拓扑绝缘体使很多我们从未想象到的新型计算和材料的应用成为现实。它们的外在表现和本质都令物理学家着迷。可悲的是一些主流文章掉入了磁单极子的谬误中。谢耳朵在全国公共广播电台科学星期五栏目中向主持人伊拉•弗莱托做了同样的吐槽。最新的文章表示拓扑绝缘体吸引人之处在于可以生成轴子的准粒子模型,与粒子物理学中找寻的物质类似。然而,同磁单极子论一样,这篇文章也遗漏了重要的一点:粒子物理学家发现新粒子不只是为了观察它们的数学行为方式。我们找寻是因为它们诠释了宇宙。同轴子一样,它可以验证某些自然中存在深对称性的理论。轴子可能是星系中的暗物质,但是在凝聚态系统中发现的类轴子物质不是真正的轴子。它与轴子完全不同。当然拓扑绝缘体仍令人振奋。正因为作者们对新材料前景的错误论述,这些主流文章不仅深深地误导了读者而且还对新材料的发展造成了负面影响。

不过,拓扑绝缘体的前途一片光明,我们期待着下次谢耳朵的白板会出现在斯德哥尔摩的讲堂中。(如果大家像谢耳朵的学生一样,觉得这篇博文十分无聊……就来点击下面的回应按钮吐槽吧。)

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博主介绍: 大卫·萨尔兹保(David Saltzberg)是美国加州大学洛杉矶分校的物理、天文学教授。与此同时,他还担当着《生活大爆炸》的科学顾问。剧中Sheldon一伙所说的那些专业术语,全部出自此人之手。在他的博客里又进一步阐释了那些令人挠头的科学小知识。

The End

发布于2011-04-03, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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电气工程及自动化博士

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