Nature Communications:光可以前所未知的形式存在

诸平

Figure 1 TINP interacting with light

Figure 3 Absorption modified by topological surface states.

          据《自然通讯 》（Nature Communications）杂志网站2016年8月5日报道，伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的研究人员发现，光可以前所未知的形式存在——[1] G. Siroki, D. K. K. Lee, P. D. Haynes & V. Giannini. Single-electroninduced surface plasmons on a topological nanoparticle, Nature Communications, 2016, 7: Article number: 12375. DOI:10.1038/NCOMMS12375. 图1（Fig.1）是光被困在拓扑绝缘体纳米颗粒表面的艺术形象。

Fig. 1 Artistic image of light trapped onthe surface of a nanoparticle topological insulator.

Credit: Vincenzo Giannini

伦敦帝国理工学院材料系研究人员的新研究表明,将光与一个单电子捆绑在一起有可能创建一种光的新形式,这种光既具有电子的属性，也具有光的属性。根据伦敦帝国理工学院科学家的此项研究,将光和电子耦合成的特殊光会具有某些特性,可能导致光-电子包工作电路，而取代当前的电子线路。还将允许研究人员研究量子物理现象（quantum physical phenomena），在可见的范围内控制比原子还小的粒子。

在正常材料中,光与存在于材料表面和内部的一大堆电子相互作用。但是通过使用理论物理模拟光和拓扑绝缘体材料的行为,英国伦敦帝国理工学院的研究人员发现,它可能只与表面上一个电子相互作用。这将创建一种光和电子某些属性合并的耦合体。通常情况下,光是直线传播的,但是，当光与电子结合时，光的传播路径会发生改变，它会跟踪拓扑绝缘体材料的表面而进行传播。2016年8月5日在《自然通讯 》杂志网站发表的此项研究中,文森索·詹尼尼博士（Dr. Vincenzo Giannini）和他的同事们模仿这种由拓扑绝缘体（ topological insulator）构成的纳米颗粒周围的相互作用。

因为涉及到拓扑绝缘体，就顺便简要加以介绍。拓扑绝缘体是一种具有新奇量子特性的物质状态，为近10年来物理学的重要科学前沿之一。如果从2006年张首晟(Zhang, Shou-Cheng)提出拓扑绝缘体理论的材料实现方案算起，到2016年恰好是整10年^[2]。

[2] König, Markus; Wiedmann, Steffen; Brüne, Christoph; Roth, Andreas; Buhmann, Hartmut; Molenkamp, Laurens W.; Qi, Xiao-Liang; Zhang, Shou-Cheng (2007-11-02). "Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells". Science, 2007, 318(5851):766–770. arXiv:0710.0582. Bibcode:2007Sci...318..766K. doi:10.1126/science.1148047. PMID 17885096. Retrieved 2010-03-25.

最早发现的拓扑绝缘体状态，可以追溯到20多年前发现的量子霍尔效应。量子霍尔效应分别获得1985年和1998年两度诺贝尔物理学奖，开创了凝聚态物理学的一个新纪元。但由于这种效应需要满足强磁场和低温这两个条件，不利于推广应用。直到2005年，人们才发现不需要强磁场和低温条件，仅仅依靠任何材料都具有的自旋轨道耦合效应，就可以实现类似于量子霍尔效应中的电子态，即量子自旋霍尔效应态或拓扑绝缘体态。这立刻引起了全球科学家界的重大关注。摩尔定律认为，由于技术的进步，每过18个月，集成电路上可容纳的晶体管的数目会翻一番，性能也将提高一倍。随着晶体管越小越密集，发热问题也就会越突出，因此许多人预言摩尔定律将于2015年失效。而拓扑绝缘体的发现将可能解决这个问题，从而引发未来电子技术的新一轮革命。2006年，美国斯坦福大学的科学家提出，在碲化汞量子阱体系中可能存在无需磁场而由本征材料能带结构产生的拓扑绝缘态，而这种特殊的拓扑绝缘体态将引起非常有趣的“量子自旋霍尔效应（Quantum Spin Hall Effect，QSHE）”，该效应入选科学评出的2007年十大科学突破并列第二位。

传统上固体材料可以按照其导电性质分为绝缘体、导体和半金属3种类型，其中绝缘体材料在其费米能处存在着有限大小的能隙，因而没有自由载流子；金属材料在费米能级处存在着有限的电子态密度，进而拥有自由载流子；半金属材料在费米能处没有能隙，但是费米能级处的电子态密度仍然为零。而拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，从理论上分析，这类材料的体内的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面总是金属性的。拓扑绝缘体这一特殊的电子结构，是由其能带结构的特殊拓扑性质所决定的。

如果我们按照导电性质的不同，可以将材料分为“导体”和“绝缘体”两大类；而更进一步，根据电子态的拓扑性质的不同，“绝缘体”和“导体”还可以进行更细致的划分。拓扑绝缘体就是根据这样的新标准而划分的区别于其他普通绝缘体的一类绝缘体。因而，拓扑绝缘体的体内与人们通常认识的绝缘体一样，是绝缘的，但是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态，总是有一些会导电的区域，这是它有别于普通绝缘体的最独特的性质。这样的导电边缘态在保证一定对称性（比如时间反演对称性）的前提下是稳定存在的，而且不同自旋的导电电子的运动方向是相反的，所以信息的传递可以通过电子的自旋，而不像传统材料通过电荷来传递。

文森索·詹尼尼博士他们的模型显示,不但光可以获得电子的性质，绕纳米粒子循环；而且电子也会承担一些光的属性。通常,作为电子是沿着材料而移动,如电路,当面对一个缺陷时它们会停止移动的。然而, 文森索·詹尼尼博士的研究团队发现,即使纳米颗粒的表面有瑕疵存在,电子将仍然能够借助光照样向前移动。如果这可以被改编成光子电路,它们将会更稳健、而且更不容易遭受破坏、物理缺陷（physical imperfections）也会更少。

文森索·詹尼尼博士说:“此项研究结果，将对我们构想光传播过程产生巨大影响。拓扑绝缘体的发现也不过十年时间,但已经在物理学领域为我们提供了研究新现象，探索物理学重要概念的新方法。”文森索·詹尼尼博士补充说, 观察该现象应该不成什么问题，他已经使用现有技术通过实验模仿了此现象,而且该研究团队正在与实验物理学家合作,使之成为现实。他相信导致光的新形式的产生过程可以被放大,以至于这样的现象可以更容易地观察到。目前, 量子现象（quantum phenomena）只能看着很小的对象或者是超冷对象,但是，新研究结果会让科学家在室温下研究这类行为。

更多信息请注意浏览原文——2016 Single-electron induced surface plasmons on a topological nanoparticle.pdf。