拓?fù)浣^緣體是一種創(chuàng)新材料，它在表面導(dǎo)電，但在內(nèi)部卻是絕緣體。巴塞爾大學(xué)和伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)的物理學(xué)家，已經(jīng)開始研究拓?fù)浣^緣體對摩擦的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，摩擦產(chǎn)生的熱量明顯低于傳統(tǒng)材料，這是由于一種新的量子機(jī)制，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然材料》期刊上。

由于其獨(dú)特的電氣特性，拓?fù)浣^緣體有望在電子和計(jì)算機(jī)行業(yè)以及量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)中實(shí)現(xiàn)許多創(chuàng)新。薄薄的表面層可以幾乎沒有電阻地導(dǎo)電，從而產(chǎn)生比傳統(tǒng)材料更少的熱量。

這使得拓?fù)浣^緣體在電子元件的應(yīng)用讓科學(xué)家們特別感興趣。此外，在拓?fù)浣^緣體中，電子摩擦（即電子介導(dǎo)的電能到熱的轉(zhuǎn)換）可以被減少和控制。巴塞爾大學(xué)、瑞士納米科學(xué)研究所(SNI)和伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)能夠通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并確切演示通過摩擦從能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃康男袨?，這一過程稱為耗散。由巴塞爾大學(xué)物理系Ernst Meyer教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，研究了碲化鉍拓?fù)浣^緣體表面摩擦的影響。

科學(xué)家們在擺動模式下使用了原子力顯微鏡，由金制成的導(dǎo)電顯微鏡尖端在拓?fù)浣^緣體二維表面上來回?cái)[動。當(dāng)向顯微鏡尖端施加電壓時(shí)，鐘擺的運(yùn)動在表面上誘導(dǎo)出小電流。在傳統(tǒng)材料中，一部分電能通過摩擦轉(zhuǎn)化為熱，拓?fù)浣^緣體導(dǎo)電表面上的結(jié)果看起來非常不同：通過轉(zhuǎn)換為熱的能量損失顯著減少。在SNI博士學(xué)院進(jìn)行這項(xiàng)工作的Dilek Yildiz博士解釋道：測量清楚地表明，在某些電壓下，電子摩擦幾乎不會產(chǎn)生熱量。

研究人員還首次能夠觀察到一種新的量子力學(xué)耗散機(jī)制，這種機(jī)制只在特定電壓下發(fā)生。在這些條件下，電子從尖端通過中間狀態(tài)遷移到材料中，類似于掃描隧道顯微鏡中的隧道效應(yīng)。通過調(diào)節(jié)電壓，科學(xué)家能夠影響耗散。這些測量證實(shí)了拓?fù)浣^緣體的巨大潛力，因?yàn)殡娮幽Σ量梢杂嗅槍π缘乜刂?。電阻加熱引起的焦耳能量損失在電子器件中無處不在，而量子力學(xué)的耗散在很大程度上未被探索。本研究在實(shí)驗(yàn)觀察到由于拓?fù)浔Ｗo(hù)的表面態(tài)對Bi2Te3中焦耳耗散的抑制。

相反，通過擺原子力顯微鏡觀察到了一種不同類型的耗散機(jī)制，這與單電子隧穿共振進(jìn)入略高于Bi2Te3表面有關(guān)。磁場施加導(dǎo)致表面態(tài)拓?fù)浔Ｗo(hù)的破壞，恢復(fù)了預(yù)期的焦耳耗散過程。擺原子力顯微鏡懸臂梁所經(jīng)歷的納米機(jī)械能量耗散，提供了關(guān)于拓?fù)浣^緣體表面量子隧穿現(xiàn)象耗散本質(zhì)的豐富信息來源，以及將機(jī)械振蕩器耦合到一般量子材料的含義。

博科園｜研究/來自：巴塞爾大學(xué)

參考期刊《自然材料》

DOI: 10.1038/s41563-019-0492-3

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