上图所示，通过扫描隧道显微镜观察到的铋烯薄膜。这种材料的蜂窝结构（蓝色）是可见的，类似于石墨烯。导电边缘通道（白色）形成在绝缘膜（右侧）。

这种超薄的在室温下就具有导电边缘和内部的高度绝缘特性的材料，是德国乌兹堡大学的物理学家最新开发出来的。

拓扑绝缘体材料类是当前国际固体物理研究的热点。这些材料在内部是电绝缘的，因为电子与原子保持着牢固的结合。然而，在它们的表面，由于量子效应，它们是导电的。

此外，电子的自旋取向能够非常有效地传送信息。当通过这些表面通道时，可以防止散射。这些属性、拓扑绝缘体可以实现直接以自旋为基础的数据处理，或所谓的自旋电子学。

以前只能在冰箱里工作

然而，直到最近，仍存在技术应用时一个主要障碍：表面通道“作为拓扑绝缘体的温度升高，所有的量子效应以及他们的导电边缘的特殊性质将会失效，” Jörg Schäfer博士解释说；他是德国乌兹堡大学的一名讲师。

由于这个原因，所有已知的拓扑绝缘体必须冷却到非常低的温度，通常要降温到零下270摄氏度，才能研究边缘通道的量子特性。当然，这样的条件对于超高速电子或量子计算机等潜在应用来说是不太现实的。

而德国乌兹堡大学的一个物理学家研究团队现在提出了一个全新的概念，从而可以很巧妙地绕过这个问题。科学家们已经最新的《科学》杂志上发表了他们的这项研究成果。

有针对性的材料设计

德国乌兹堡大学突破的是基于一种特殊的材料组合：由一层沉积在碳化硅衬底上的铋原子形成的超薄膜。

是什么使这个组合如此特别？“当沉积铋膜时，碳化硅衬底的晶体结构使铋原子排列在一个蜂窝几何结构中，与神奇材料石墨烯的结构非常相似，它是由碳原子构成的”，Ralph Claessen教授解释说。这种波动薄膜被称为“铋烯”。

但它有一个决定性的区别：“铋烯材料是由石墨烯形成化学键的底物，”Ronny Thomale教授说。它在新材料中起着核心作用，为材料提供所需的电子性能。这正是计算机模拟所强调的：“虽然普通铋是一种导电金属，但蜂窝层仍然是一种独特的绝缘体，即使在室温和远高于此的温度下仍是如此，”物理学家补充说。为了人为地创造这种理想的初始条件，较重的铋原子巧妙地与均匀绝缘的碳化硅基体结合在一起。

边缘处的电子高速路

电子传导渠道在一块铋烯材料的边缘处发生。这是金属边缘通道的位置，将用于将来的数据处理。这不仅在理论上由德国乌兹堡大学研究团队所证实，也经过了显微技术的实验证明了。

为了利用电子元件的边缘通道，至关重要的是通过内部的拓扑材料或通过基板时没有短路情况。“以前的拓扑绝缘体需要极端的冷却，以确保这一点，”JöRG SCHäFER解释说。新型的铋烯概念让这种担忧变得多余：不同的绝缘性能的薄膜与衬底可以消除任何干扰短路。

德国乌兹堡大学认为正是这一步使材料可以在室温下工作，这将使这种发现在现实条件下找到很有趣的应用。“这种传导通道受到拓扑保护。这意味着他们可以几乎无损耗传输信息，”Ralph Claessen说。这种方法使得很少有电子自旋的数据传输成为可能。因此，该研究团队估计这将会为有助于高效的信息技术获得巨大进步。

来源：实验帮