新技术或能获取纳米级载流子边缘状态的图谱

测量的隧穿电流对施加的磁场具有强烈的依赖性：每个扇形的红色/黄色曲线对应于导电边缘状态的图谱。每条曲线分别显示一个边缘状态。图片来源：巴塞尔大学物理系

拓扑绝缘体或2D材料等新材料中出现了可以获得载流边缘状态的单独图谱的新技术。巴塞尔大学的物理学家与美国自然通讯科学家一起介绍了这种新方法。

尽管绝缘体不导电，但一些特殊材料可以表现出特殊的电气特性。尽管这种特殊的电气特性不是通过体积传导，但是绝缘体的表面和边缘可能由于量子力学效应而支持电流的存在，并且不造成损失。近年来，由于这种拓扑绝缘体卓越的性能引起了科学家们极大的兴趣。特别是它们强大的边缘状态可以带来巨大的技术进步，因而非常有前景。

当二维金属在低温条件下暴露于强磁场时，也会出现与拓扑绝缘体的边缘状态类似的效果。当实现所谓的量子霍尔效应时，普遍认为电流仅在边缘处流动，进而形成若干导电沟道。

探究单个边缘状态

目前为止，还不可能分别确定每个载流子的状态或者他们的位置。而这项新技术使获得纳米级载流子边缘状态的图谱成为可能。这是由巴塞尔大学的物理与瑞士纳米科学研究所的研究人员、加州大学洛杉矶分校的同事以及美国哈佛大学和普林斯顿大学的同事共同完成的。

为了获得传导边缘状态的图谱，由Prof. Dominik Zumbühl教授领导的物理学家们进一步开发了一种基于隧道光谱的技术。他们使用了位于样品边缘的砷化镓纳米线，它与正在研究的边缘状态平行。在这种结构中，只要两个系统的能量一致，电子就可以在特定的边缘状态和纳米线之间来回跳跃（隧道）。科学家们通过增加一个额外的磁场，控制隧道电子的动量，便可以获得单个载流子的边缘状态。通过测量的隧道电流，可以利用纳米精度获得每个载流子的边缘状态的位置和演化。

跟踪进化

这种新技术非常通用，也可以用来研究动态进化的系统。当磁场增加时，边缘状态的数量就减少了，而且它们的分布也会被修改。这是第一次，科学家们能够在非常低的磁场中观察到完整的边缘状态演化。

随着磁场的增加，边缘状态首先被压缩到样本边界，一直到最后，它们开始向样本内移动，然后完全消失。研究小组开发的数值模型的分析结果与实验数据非常吻合。