Nature：新型拓扑绝缘子材料中同时存在光子和电子的流动

拓扑绝缘子是一种非常特殊的材料。它们只在表面或边缘位置传递电子或光子，内部并不导电。这种非同寻常的特性最终可能催生新的技术革新，这也是几年来拓扑绝缘子成为全球热点研究主题的原因。

德国巴伐利亚的维尔茨堡大学(JMU)的物理学家、以色列海法技术学院的研究人员、还有新加坡南洋技术大学的学者们组成的研究小组在“自然”杂志上发表了他们的最新发现。该团队首次成功地制造了一种可同时用于光和电子激励的拓扑绝缘子，称为“激子-极化子拓扑绝缘子”。

一种新型拓扑绝缘子，在其边缘发生混合光电子粒子(RED)的可控流动。图片来源：卡罗尔•温克勒

具有双应用潜力的新发现

JMU应用物理主席斯文•霍夫教授说：“这种拓扑绝缘体的特性满足双应用的要求，它们既可用于电子系统，也可用于激光系统。” 以前开发的拓扑绝缘子材料只能允许一种粒子流动：要么是电子，要么是光子；因此以前的材料只能用在一种领域。

维尔茨堡大学主持小组工作的塞巴斯蒂安•克伦布特博士（Dr. Sebastian Klembt）在该项目中发挥了主导作用。他介绍了这项研究工作中的更多细节：在砷化镓半导体化合物组成的微芯片上发现了这种新型拓扑绝缘子。它具有由许多小柱子组成蜂窝状结构，每根柱子直径2微米(百万分之一米)。

可以控制粒子移动方向

当使用激光激发这种微结构时，其内部会激发出光子，并聚集在微结构的边缘处，然后光子沿着边缘和拐角移动，能量损失相对较低。克伦布特博士说：“我们使用磁场能够控制和逆转粒子的移动方向。”

这是一个复杂的系统，它在二维界面上工作并且可以在微芯片上控制光线。以前要做到这一点并不容易，因为纯的光粒子不带电荷，因此不能轻易地用电场或磁场控制其移动。相反，这种新的拓扑绝缘体可以通过“在拐角处聚集光子”来做到这一点。

克伦布特团队的这一研究成果再次表明，维尔茨堡大学物理研究所是研究拓扑绝缘子的领先中心。维尔茨堡大学物理教授劳伦斯•莫伦坎普（Laurens Molenkamp）在2007年通过实验制作了世界上第一个拓扑绝缘体，开创了这一全新的研究领域。最近，维尔茨堡物理学家于2018年9月在德国“卓越战略”竞赛获得了卓越集群“量子材料中的复杂性和拓扑”奖，再次证明了他们在这一领域的卓越表现。

该小组里的科学家们有着互补的专业知识：莫迪凯集团(Moti) 塞格夫（Segev）于2013年展示了第一个光子拓扑绝缘体，开创了“拓扑光子学”领域。现在，这两个小组联合起来，展示了第一个多种粒子共生的光子拓扑绝缘体。它具有巨大的应用前景：既可以作为一项基本科学发现，也可以为光电子领域的应用开辟新的道路。