可按需电子切换的拓扑量子材料，为低能耗电子器件开辟新路

来自加拿大不列颠哥伦比亚大学（UBC）的科学家们展示了一种具有革命性的方法：他们能够以可逆的方式，使用与现代电子设备兼容的机制，来切换一种量子材料的拓扑状态。这项发表在《自然·材料》上的研究，为实现基于拓扑保护电流而非传统电荷流动的、更高能效的电子器件提供了新路径。

传统电子学依赖于电子的流动，而电阻会导致能量以热的形式浪费。UBC斯图尔特·布鲁森量子物质研究所的研究员米根·阿伦森博士解释：“拓扑电流受到对称性的保护，因此它们有望用于开发能耗散显著减少的新型电子产品。” 这项研究的关键在于，发现通过增加或移除电荷（电子），可以驱动晶体发生可逆的拓扑转变，使其从能导电的金属状态切换到不能导电的绝缘体状态。

研究团队在一种晶体材料中，实现了对所谓“节点环”的完全实验控制。这个节点环就像一个圆形的电子高速通道。当材料的原子晶格保持某种精确的对称性时，这个环是开放的，电子可以自由运动；而当这种对称性被破坏时，环就会断裂，材料中会出现一个很大的能隙，从而阻止电流流动。

论文第一作者约恩·班尼斯博士表示，最令人兴奋的是他们拥有一种材料，可以按意愿、可重复地操纵晶体结构的对称性。研究人员找到了控制这种转变的两个“旋钮”：一是改变晶体中锑（Sb）和碲（Te）的比例，这会改变电子数量并调整晶格排列；二是通过在晶体表面沉积一层薄薄的钾（K）来可逆地添加电子，从而恢复让节点环关闭所需的对称性，使拓扑电流重新流动。加热样品可以去除钾，使材料回到初始状态，这实质上创造了一种类似于晶体管功能的电子开关。

为了实时观察这一量子转变，研究团队使用了角分辨光电子能谱（ARPES） 技术。高级研究员马泰奥·米恰尔迪博士称，ARPES是这项研究的核心，它是唯一能够直接可视化电子结构随实验过程演化的技术，让研究人员能够一步步跟踪电子拓扑的复杂转变。通过证明材料的电子拓扑可以通过添加或移除电子来调节，这项研究为将新兴量子材料技术无缝集成到现有电子学中开辟了新的可能性。