鉴于夹在氮化硼之中的二维资料钨二碲化物(WTe 2)的晶体管可行在两种不同的电子状况之中变换 - 一个仅沿其边缘传递电流，使其成为拓扑绝缘体，而且在无电阻的概况下传递电流麻省理工学院的探讨人士和来源其它四个机构的同事曾经声明了它是超导体。

探讨人士运用四探针测量，一个测量资料电子举止的经常使用量子电子传输技艺，绘制了二维钨二碲化物晶体管的电流承载能力和电阻特性，并证实了它们在一系列外加电压和外部电压下的发觉极低温度下的磁场。

“这是首次将十足相同的资料调度为拓扑绝缘体或超导体，” 麻省理工学院Cecil和Ida Green物理教授Pablo Jarillo-Herrero说 。“咱们可行经过运用常规准则电介质的常规电场效应来实现这一丝，因而根本上与准则半导体电子设施中运用的技艺类别相同。”

新类资料

“这是一个新款资料中的第一个 - 可行经过电气调谐到超导体的拓扑绝缘体 - 这可行在实现重要阻碍此前打开众多可能性，”Jarillo-Herrero说。“有一个资料可行在统一种资料中没有缝地达成，以便在这类拓扑绝缘体和超导体之中转换，这是十分有迷惑力的。”

钨二碲化物是过渡金属二硫化物资料之一，被归类为半金属，而且像散装方式的金属一样导电。新发觉具体讲明，在单层晶体方式中，在小于1开尔文至液氮范畴(-320.4华氏度)的温度下，钨二碲化物具备三个不同的相：拓扑绝缘，超导和金属。施加的电压驱动这点相之中的过渡，这点过渡随温度和电子浓度而浮动。在超导资料中，电子在无电阻的概况下流动而不发生热量。

新发觉已在线发表 在“ 科学 ”杂志上 。现任耶鲁大学博士后的Valla Fatemi博士，以及麻省理工学院Pappalardo探讨员博士后三十五，与该资深作者Jarillo-Herrero一同撰写了该论文的第一作者。合着者是麻省理工学院探讨生袁曹; 法国ÉcolePolytechnique的前博士后Landry Bretheau; 英国利物浦大学的Quinn D. Gibson; 国立资料科学探讨所的渡边健次和谷口隆; 和普林斯顿大学化学教授Robert J. Cava。

像量子线一样

这项新事业构建在 探讨人士的一份汇报的根基上，该 汇报展现了量子自旋霍尔效应(QSH)，它是二维拓扑绝缘体的标记性物理景象，在统一单层钨二碲化物资料中。该边缘电流由电子的自旋而非是由他们的电荷操控，而且相反自旋的电子在相反的方向上搬动。这类拓扑性质在低温下始终存留于资料中。

这类量子自旋霍尔效应持续到约100开尔文(-279.67华氏度)的温度。“是以它是迄今为止温度最高的2-D拓扑绝缘体，”博士后三峰吴说，他也是早期论文的第一作者。“关于这样一种有趣的量子态来讲，在高温下生存以用于利用是十分要紧的。”

这类举止，此中钨二碲化物资料的边缘像量子线一样， 在2014年由物理学副教授梁甫和核科学与工程与资料科学与工程教授朱莉 的理论论文中预测。寻求具备这点素质的资料用于自旋电子和量子计算装置。

尽管在多达100开尔文时观看到拓扑绝缘景象，但新事业中的超导举止产生在约1K的低得多的温度下。

该资料的优点是，关于全部2-D超导体，其具备最低电子密度之一的超导状况。“这意指着使其成为超导体所需的小载流子密度是可行经过寻常电介质，常规电介质和运用小电场引起的，但Jarillo-Herrero解释说。

在第一篇论文中解决二维钨碲化物拓扑绝缘举止的发觉，以及第二篇中超导电性的发觉，吴说，“这点是双胞胎论文，每一篇皆是美丽的，他们组合起来可行十分强盛“吴提议探讨结果指明了探讨二维拓扑资料的方法，并可能为拓扑量子计算机的新物质根基开辟公路。

钨二碲化物晶体在普林斯顿大学(Princeton University)生长，而氮化硼晶体在国立资料科学探讨所(National Institute for Materials Science)生长。麻省理工学院的团队构建了实验装置，在超低温下发展了电子传输测量，并对探讨所的数据发展了剖析。

同一时间发觉

Jarillo-Herrero指明，运用准则半导体纳米加工和电场效应技艺可行将单层钨二碲化物调谐成超导体的发觉同一时间由一群竞争对手实现，包括华盛顿大学的David Cobden教授和Joshua Folk副教授在不列颠哥伦比亚大学。(它们的 文章 - “单层拓扑绝缘体中的栅极诱导超导” - 在Science First Release上同一时间发表 。)

“这是两组独立达成的，但咱们都做了同样的发觉，”Jarillo-Herrero说。“这是最佳的事宜，你的重要发觉立即被复制。它给社区带来了格外的信心，这是十分真正的。“

Jarillo -埃雷罗当选为 同胞 鉴于二维资料和器件的量子电子传输和光电子他的开创性奉献本年早些时刻，物理学会。

走势量子计算

这类新功效可能有效的特定范畴是在拓扑绝缘和超导资料的界面处实现Majorana形式。物理学家在1937年初次预测，Majorana费米子可行被以为是电子断裂成两部分，每一部分都体现为一种独立的粒子。这点费米子在当然界中尚未被发觉为根本粒子，但可行在一律零温度周边的某些超导资料中显露。

“从物理学的根本看法来看，它自身很有意思，另外，它有望成为拓扑量子计算的兴趣，拓扑量子计算是一个特殊类别的量子计算，”Jarillo-Herrero说。

Majorana形式的特异之处在于当它们交换位子时它们的异国举止，物理学家称之为“编织”的操作，由于这点交换粒子的时间依赖性踪迹看起来像辫子。编织操作不行改变像电子或光子这样的准则粒子的量子态，可是编织Majorana粒子十足改变了他们的量子态。这类被称为“非阿贝尔统算”的不正常属性是实现拓扑量子计算机的要害。在一种位子固定Majorana形式也须要磁隙。

“这项事业十分漂亮，” 加州理工学院理论物理学教授Jason Alicea说 ，他无参加这项探讨。“工程Majorana形式所需的根本成分 - 超导性和磁性边缘状况的间隙 - 现已在WTe 2中单独论证。”

“另外，经过门控观看内在超导性可能是Majorana形式的顶级利用的一种要紧福音，比如编织以声明非阿贝尔统算。为这，大家可行设想经过静电伎俩设置繁杂的，动态可调的超导量子自旋霍尔边缘状况网站。“Alicea说。“可能性十分令人亢奋。”