Nature子刊：一种能获取纳米级载流子边缘状态图谱的新技术

测量的隧道电流及其对两个应用磁场的依赖：红/黄曲线每一个都对应着传导边缘状态的指纹 图片：巴塞尔大学，物理系

来自瑞士和美国的物理学家们已经开发出一种技术，可以在诸如拓扑绝缘材料或二维材料等新型材料中制造出载流子边缘状态的专属指纹。他们在Nature Communications的一篇论文中介绍了这种新技术。

虽然绝缘体不会导电，但一些特殊的材料具有特殊的电学性质：尽管它们的体积不大，但它们的表面和边缘可能会由于量子力学效应而存在电流，并且电能不会流失。近年来，由于其显著的特性，这些所谓的拓扑绝缘体引起了极大的兴趣。值得一提的是，它们强大的边缘状态非常有前景，因为它们可以带来巨大的技术进步。

当二维（2D）金属在低温的状态下暴露在强磁场中时，也会出现类似的边缘传导特性。当所谓的量子霍尔效应被实现时，电流被认为只在二维金属的边缘流动，在那里形成了几个传导通道。

到目前为止，还不可能单独处理这些众多载流子或单独确定它们的位置。然而，通过他们的新技术，物理学家可以用纳米分辨率获得载流子边缘状态的精确指纹。

这一进展是由物理系和瑞士纳米科学研究所的研究人员以及加州大学洛杉矶分校、哈佛大学和普林斯顿大学的同事们合作完成。为了测量传导边缘状态的指纹，在Dominik Zumbühl 的领导下，使用了扫描隧道的光谱法。

他们使用了位于样品边缘的砷化镓纳米线，将其平行移动到研究的边缘状态。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）。利用额外的磁场，科学家可以控制隧道电子的动量，并解决个别边缘状态。通过测量的隧道电流，可以利用纳米精度获得每个边缘状态的位置和演变过程。

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，并且它们的分布会被修改。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。

当磁场增加时，边缘状态首先被压缩到样本边界，直到向样本内移动，然后完全消失。研究小组开发的分析和数值模型与实验数据非常吻合。