電子在固體中佔有被間隙隔開的不同能帶，能帶間隙是電子的“禁區”，即是一種對電子關閉、不允許有電子存在的能量範圍。

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現在，研究含鐵、碲和硒的化合物的

科學家

發現，這個能帶間隙在這種材料表面上兩個能帶的相交處開啟允許電子存在。他們在冷卻材料並用鐳射探測其電子結構時，觀察到了這種不尋常的電子行為。他們的發現發表在《美國國家科學院院刊》上，將會對未來的量子資訊科學和電子學產生影響。

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該特定化合物屬於鐵基高溫

超導

體家族，該家族最早發現於2008年。這些材料不僅在比其他類別的超導體更高的溫度下（但仍然非常冷）在沒有電阻的情況下導電，但也顯示出磁性。

論文第一作者、美國布魯克海文國家實驗室冷凝物質物理和材料科學（CMPMS）電子光譜學小組的科學家、納德·扎基（Nader Zaki）說：“有一陣子，人們認為超導和磁場會相互影響。” “我們已經探索了兩種可以同時予以開發的材料。”

除了超導性和磁性外，某些鐵基超導體還具有承載“拓撲”表面狀態的理想條件，這些獨特的電子態存在於表面，它們不存在於大部分材料中，反映了電子的自旋與其圍繞原子核的軌道運動之間的強相互作用。

論文作者之一、電子光譜小組負責人彼得·約翰遜（Peter D。 Johnson）說：“當您擁有具有拓撲表面特性的超導體時，您會對拓撲超導的可能性感到興奮。” “拓撲超導性有可能支援馬約拉納費米子，它可以用作量子位元的量子儲存的基礎。”

量子計算機有望大大加快計算速度，但實現實用量子計算的挑戰之一是量子位對其環境高度敏感，微小的相互作用會導致它們失去其量子態，從而丟失儲存的資訊。理論預測，存在於超導拓撲表面態中的所尋求的馬約拉那費米子的準粒子不受環境干擾，使其成為量子位的理想平臺。研究人員將鐵基超導體視為各種奇特現象和潛在重要現象的平臺，著手瞭解拓撲、超導和磁性的作用。

論文作者、實驗室冷凝物質物理和材料科學部門高階物理學家、顧根達（Genda Gu，音譯）首先生長了鐵基化合物的高質量單晶。然後，扎基透過基於鐳射的光發射光譜法繪製了材料的電子能帶結構圖。當來自鐳射的光聚焦到材料上的一個小點上時，來自表面的電子被“踢出”（即光發射）。然後可以測量這些電子的能量和動量。當降低溫度時，令人驚訝的事情發生了。

扎基說：“材料如我們所料想的超導了，我們看到了與此有關的超導間隙。” “但是我們沒想到的是，拓撲表面狀態在狄拉克點處打開了第二個間隙。您可以將這種表面狀態的能帶結構，想象成沙漏或在其頂點處連線的兩個圓錐體。這些圓錐體相交的位置稱為狄拉克點（Dirac point）。”

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如圖所示拓撲表面狀態及狄拉克點，在頂部圓錐體和相應底部圓錐體的頂點之間具有能帶隙，該能帶隙為禁止電子的允許的能帶、或電子具有的能量範圍。拓撲表面狀態是唯一的電子狀態，僅存在於材料的表面，反映電子的自旋（紅色箭頭）與其圍繞原子核的軌道運動之間的強相互作用。當電子自旋彼此平行排列時，該材料具有一種鐵磁性。

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正如研究人員所解釋的那樣，當在狄拉克點上出現縫隙時，有證據表明時間反轉對稱性已被打破。時間反向對稱性意味著，無論您檢視的是系統向前還是向後的時間，物理定律都是相同的，就像倒帶影片看到相同事件順序的反向播放。但是在時間逆轉下，電子自旋改變了它們的方向並打破了這種對稱性。因此，打破時間反轉對稱性的一種方法是發展磁性，特別是鐵磁性的磁性型別，其中所有電子自旋均平行排列。

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約翰遜說：“系統正在進入超導狀態，看似磁性在發展。” “我們必須假設磁性存在於表面區域。這種發現是令人興奮的，因為該材料具有許多不同的物理性質：超導性、拓撲結構、和所觀察到的磁性。我喜歡說這像是‘一站式購物’。瞭解這些現象如何在材料中產生，可以為許多新的令人興奮的技術方向奠定基礎。”

該材料的超導性和強大的自旋軌道效應可用於量子資訊科技，或者材料的磁性和強大的自旋軌道相互作用，可以實現電子中電流無能量損失的無耗散傳輸，可以利用此功能來開發功耗低的電子裝置。

論文共同作者、加州大學聖地亞哥分校物理教授、吳聰俊（Congjun Wu，音譯）提供了關於時間逆轉對稱性如何破裂，以及磁場表面區域是如何產生的理論見解。

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研究人員說：“這一發現不僅揭示了拓撲超導狀態與自發磁化之間的深層聯絡，而且還為鐵基超導體中超導間隙函式的性質提供了重要的見解，這是研究強相關非常規超導體中的一個突出問題。”

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約翰遜表示說：“作為材料科學家，我們喜歡改變混合物中的成分，看看會發生什麼。” “目標是弄清楚超導性、拓撲和磁性在這些複雜材料中是如何相互作用的。”