苏大南大登《自然》：在拓扑晶体绝缘体缺陷中发现分数电荷

物理学里有个基本常量元电荷（e），其值约为1.6×10-19库仑。它指的是一个电子或一个质子所带的电荷量。电子不可再分割的，除了特殊的夸克之外，理论上所有普通物质所带的电荷都应该是e的整数倍。

但在凝聚态物理的世界里，多个电子可能在空间中呈现出特殊排列方式，固体虽然整体上电荷还是整数的，但局部位置上却可能出现分数电荷现象。

例如，具有反射对称性的一维原子链在离子和电子数目均等时呈现电中性。但如果丢失一个电子，少掉的电荷被链段对称侧均分，就会留下e/2的电荷。

此外，科学家们还从理论上预测，一种叫做拓扑晶体绝缘体的材料在结构缺陷处可能会出现分数电荷现象。

这一预言已经成真。1月21日，英国《自然》杂志同期发表的两篇论文就汇报了相关实验成果，一篇来自中国，是苏州大学物理学院教授蒋建华团队和南京大学电子科学与工程学院副教授蒲殷团队合作的成果。另一篇则来自美国伊利诺伊大学电子和计算机工程学院Christopher Peterson团队。他们分别在六方晶体和立方晶体上观测到了以e/6和e/4为单位的电荷量。

拓扑晶体绝缘体是凝聚态物理学中的网红材料之一，可以表现出许多新奇的量子效应。

“在正常的晶体中，电荷分布在材料的内部。具体而言就是分布在每一个原胞（固体材料的最小构成单元）的中心。但是在拓扑晶体绝缘体中，电荷分布在原胞的边界处，靠近边界的原胞就可能会出现分数电荷。这是电子填充拓扑能带的时候出现的独特现象。当然，在整个材料中，总的电荷还是整数的。”蒋建华对澎湃新闻记者表示。

然而，材料的边界通常是不完美的。蒋建华团队发现，研究材料体内的旋错反而能看到分数电荷现象。

要知道，晶体是由空间上呈现周期性排布的原子组成的，在平移、旋转、反射等方面表现出对称性。如果将整个晶体平移一格，结构仍会保持不变。此外，立方晶格旋转90度之后看上去也没有变化。

所谓的晶体缺陷，就是这种理想化的几何对称结构被破坏的地方。这次，中美团队都是在一种破坏旋转对称性的“旋错”缺陷处找到分数电荷的。

下图是意大利数学家沃尔泰拉提出的一种构造旋错的简单方法：把立方晶体切掉四分之一，再重新粘合起来，就形成了一种旋错。

来源：Nature

而对于六方晶体来说，旋错可以通过切掉2π/6完美晶体的扇区并将剩余的部分粘合在一起而构成的。

虽然理论指路已经很明确，但现实中很难寻找到相应的天然材料，也很难用原子直接构筑出符合条件的材料。为此，中美团队都选择了超越天然材料物理特质的“超材料”实现更好的实验观测。苏州大学团队选择了用光波导结构来构建人造原子，而伊利诺伊大学团队选择以电子回路结构来构建人造原子。

相比起天然原子来，这种人造原子尺寸可以达到数毫米，放大了上百万倍。正因如此，科学家们才可以精确地测量电荷的空间分布情况，发现分数谱电荷在错位处出现，而在平凡相消失。

该实验是对拓扑材料性质的一种新颖探索。旋错是所有固体材料中常见的缺陷。日常一根铁丝，扭几下它不会折断，但会因产生很多旋错和位错而疲劳损伤。

“在任何一个固体材料中都能找到旋错，只是多少的问题。如果能够用显微镜找到它们，并用扫描隧道显微镜研究它们，就可以得到材料的拓扑能带性质。因此，这个方法打开了一条研究拓扑物理的新道路。”蒋建华说道。

《自然》杂志在“新闻与观点”版块中展望道，未来，科学家们还可能更进一步，利用另一种“位旋”缺陷（破坏晶体的平移对称性）而在传统材料上也找到分数电荷。