拓扑绝缘体为实现超低温下无损能量传输带来了令人兴奋的希望。然而，拓扑绝缘体无法在室温下保持这种无损“魔力”。

来自莫纳什大学 FLEET 中心的研究人员对拓扑绝缘体的效率有了新的认识，阐明了它们在超低温下的神奇无损能量传输与室温下出现的有害问题之间的显著差异。

该研究发表在《纳米尺度》上，探讨了拓扑绝缘体在实际工作环境中保持其特性时面临严峻挑战的原因，特别是电子-声子相互作用的作用。

拓扑绝缘体，特别是二维(2D)拓扑绝缘体，因其通过边界/边缘传导电流而本体表面保持电绝缘的独特特性而闻名。

这一独特特性允许单向载流子传输而无需背向散射，由此产生的散射引起的电阻可忽略不计，从而带来了无耗散载流子传输的期望。

事实上，在超低温下，这些拓扑绝缘体通常表现出无耗散载流子传输，符合预期。然而，当温度升至室温时，维持这一特性将面临严峻挑战，因为声子(晶格振动的量子)会与载流子一起发挥作用。

电子-声子相互作用的作用

本研究对不同温度下二维拓扑绝缘体中载流子与声子的相互作用以及能量传输进行了深入分析。

电子和声子之间的相互作用(即电子-声子相互作用)在观察到的电阻显著增加中起着至关重要的作用。

理论建模表明，电子-声子散射是拓扑边缘态背散射的重要来源，相互作用的强度与电子边缘态的色散密切相关。

随着温度的升高，相互作用显著增加，且在原生边缘的非线性分散边缘态下的相互作用比在钝化边缘的线性分散边缘态下的相互作用强得多，导致在 200–400 K 的温度范围内出现显著的能量耗散。

因此，本研究阐明了超低温和实际操作室温下性能的差异。

“由于我们在本研究中考虑了线性和非线性边缘色散，我们的研究结果可以适用于各种拓扑绝缘体，”该研究的主要作者 Enamul Haque 说。

更好地理解电子-声子散射在二维拓扑绝缘体边缘的作用，被认为对于推动基于二维拓扑绝缘体的未来电子技术至关重要。然而，之前的研究主要集中在三维拓扑绝缘体的表面态和二维拓扑绝缘体的绝缘表面。

Haque 表示：“我们的发现对于推动拓扑绝缘体在实际电子设备中的应用可能发挥至关重要的作用。”

这项研究的成果可以指导人们寻找新的量子材料或如何克服现有的局限性。通过克服室温下的这些问题，科学家可以进一步实现拓扑绝缘体在实际技术中的全部应用潜力，例如量子晶体管和量子设备。

首席研究员兼 FLEET 首席研究员 Nikhil Medhekar 教授表示： “清晰地了解拓扑边缘态中的电子-声子相互作用有助于在量子比特中产生强量子退相干，这将有可能增强量子计算机的稳定性和可扩展性。”

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