拓扑绝缘体是一种创新材料，它在表面导电，但在内部却是绝缘体。巴塞尔大学和伊斯坦布尔技术大学的物理学家，已经开始研究拓扑绝缘体对摩擦的反应。实验表明，摩擦产生的热量明显低于传统材料，这是由于一种新的量子机制，其研究发现发表在《自然材料》期刊上。由于其独特的电气特性，拓扑绝缘体有望在电子和计算机行业以及量子计算机的开发中实现许多创新。薄薄的表面层可以几乎没有电阻地导电，从而产生比传统材料更少的热量。
这使得拓扑绝缘体在电子元件的应用让科学家们特别感兴趣。此外，在拓扑绝缘体中，电子摩擦（即电子介导的电能到热的转换）可以被减少和控制。巴塞尔大学、瑞士纳米科学研究所(SNI)和伊斯坦布尔技术大学的研究人员现在已经能够通过实验验证，并确切演示通过摩擦从能量转变为热量的行为，这一过程称为耗散。
由巴塞尔大学物理系Ernst Meyer教授领导的团队，研究了碲化铋拓扑绝缘体表面摩擦的影响。科学家们在摆动模式下使用了原子力显微镜，由金制成的导电显微镜尖端在拓扑绝缘体二维表面上来回摆动。当向显微镜尖端施加电压时，钟摆的运动在表面上诱导出小电流。
在传统材料中，一部分电能通过摩擦转化为热，拓扑绝缘体导电表面上的结果看起来非常不同：通过转换为热的能量损失显着减少。在SNI博士学院进行这项工作的Dilek Yildiz博士解释道：测量清楚地表明，在某些电压下，电子摩擦几乎不会产生热量。研究人员还首次能够观察到一种新的量子力学耗散机制，这种机制只在特定电压下发生。
在这些条件下，电子从尖端通过中间状态迁移到材料中，类似于扫描隧道显微镜中的隧道效应。通过调节电压，科学家能够影响耗散。这些测量证实了拓扑绝缘体的巨大潜力，因为电子摩擦可以有针对性地控制。电阻加热引起的焦耳能量损失在电子器件中无处不在，而量子力学的耗散在很大程度上未被探索。本研究在实验观察到由于拓扑保护的表面态对Bi2Te3中焦耳耗散的抑制。
相反，通过摆原子力显微镜观察到了一种不同类型的耗散机制，这与单电子隧穿共振进入略高于Bi2Te3表面有关。磁场施加导致表面态拓扑保护的破坏，恢复了预期的焦耳耗散过程。摆原子力显微镜悬臂梁所经历的纳米机械能量耗散，提供了关于拓扑绝缘体表面量子隧穿现象耗散本质的丰富信息来源，以及将机械振荡器耦合到一般量子材料的含义。
博科园｜研究/来自：巴塞尔大学
参考期刊《自然材料》
DOI: 10.1038/s41563-019-0492-3
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