修剪拓扑绝缘体的边缘状态产生了一种具有非常规双向边缘传输特征的新型材料

澳大利亚莫纳什大学的一项新理论研究表明，“修剪”拓扑绝缘体的边缘状态产生了一种具有非常规“双向”边缘传输特征的新型材料。

这种新材料，拓扑晶体绝缘体(TCI)，为拓扑材料家族增添了一个有前途的新成员，并显着拓宽了具有拓扑非平凡性质的材料的范围。

其对对称性的独特依赖也为操纵边缘传输的新技术铺平了道路，为未来晶体管器件提供了潜在的应用。例如，通过电场“切换”TCI，打破支持非平凡能带拓扑的对称性，从而抑制边缘电流。

这一突破性的发现极大地增进了我们对自旋电流如何在拓扑材料中传播的基本理解，为这些有趣系统的行为提供了宝贵的见解。

挑战拓扑绝缘体的常见定义

首先，我们根据 FLEET 的愿景引用拓扑绝缘体的优雅定义：

“拓扑绝缘体仅沿其边缘导电，并且严格沿一个方向导电。这种单向路径可以导电，不会因电阻而损失能量。”

然而，这项由莫纳什大学计算小组进行的新理论研究通过揭示一种新型边缘传输来挑战标准拓扑物理观点，这促使人们重新考虑“严格在一个方向”这一短语。

修改这句话并不是一件简单的事。拓扑材料类似于植根于“体-边对应”固体土壤中的大树，这意味着体的固有属性将决定边缘电流的性质。

正如树需要修剪以保持其形状和健康一样，拓扑材料的边缘状态也需要进行定制，以适应电子和自旋电子学中的各种应用。

研究小组提出了一种通过体边缘相互作用操纵边缘状态的新方法，类似于园艺中的修剪工作，成功地实现了在二维拓扑材料平面铋中提取新型边缘自旋电流的目标。

这一突破性的发现将极大地推进我们对自旋电流如何在拓扑材料中传播的基本理解，为这些有趣系统的行为提供有价值的见解。

隐藏在对称保护拓扑中的非常规自旋纹理

这种新发现的材料被称为拓扑晶体绝缘体(TCI)，是拓扑材料家族中一个有前途的新成员，其工作原理是，只要体内存在特定的晶体对称性，传导边缘电流就保持弹性。

TCI 的发现极大地拓宽了具有重要拓扑特性的材料的范围。其对对称性的独特依赖也为操纵边缘传输的新技术铺平了道路，为晶体管器件提供了潜在的应用。

例如，通过将TCI置于强电场下，当支持非平凡能带拓扑的对称性被破坏时，可以抑制边缘电流。一旦磁场被移除，传导边缘电流就会立即返回，展示 TCI 优越的按需开关特性，非常适合集成到晶体管器件中。

除了提供另一种形式的拓扑保护之外，TCI 的令人兴奋的潜力还更进一步。研究小组发现了一种隐藏在二维 TCI Bismuthene 边缘的非常规类型的自旋输运，这种现象在之前的报告中被忽视了。

“虽然人们普遍认为 TCI 表现出与拓扑绝缘体中观察到的相同边缘传输模式，其中每个自旋电流流(自旋向上或自旋向下)严格沿一个方向传播，但我们的研究结果表明，TCI 平面铋烯具有一种新的受镜像对称保护的自旋输运类型，”该研究的主要作者、莫纳什大学研究员 Yuefeng Yin 博士解释道。

在这种模式下，自旋流不再局限于沿边缘的固定方向。”

这种新发现的自旋传输模式解锁了拓扑器件的创新设计概念，能够支持“无净自旋传输的纯电荷电流和无净电荷传输的纯自旋电流”——这是拓扑材料的传统理解中无法理解的可能性。

“这一发现为实现 FLEET 创造低能耗电子设备的目标开辟了一条新途径，”通讯作者、莫纳什大学的 Nikhil Medhekar 教授补充道。

“虽然沿相反方向传播的相同自旋极化流可能看起来不会立即有用，但它们为自旋操纵提供了新的机会，而这在其他拓扑材料中是无法实现的。”

研究小组预计，这一计算突破将激发进一步的实验和理论后续研究，以充分利用这种新型边缘传输在电子和自旋电子应用中的潜力。

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