找到拓扑绝缘体的人走了，为我们在巨大未知中留下一束光

拓扑学是一个数学分支，它研究的是“不连续”的特征。一个物体身上，大部分我们熟悉的特征都是连续的：一个长方形可以变大一点点，变小一点点，粗一点点，细一点点。拓扑学不关心这些。但是如果我在长方形上挖洞，那么它要么没有洞，要么有1个、2个、3个……不会有4.5个洞或者1.414个洞。这样的特征就是拓扑学关注的。

当然现代物理学关注的不是一个东西上有几个洞，而是远为抽象的特征，但这些特征同样不连续。张首晟在研究这些特征的时候，成功创造出了 “拓扑绝缘体”。

设想一个有很多电子的大块低温薄膜，给它加上一个强磁场，它就会表现出一个奇妙的特点：只在薄膜的边缘导电，但薄膜的中央不会导电。如果你拉伸这个薄膜，那么产生的新边缘也会导电，中央依然不导电；就算你往边缘里添加了本来足以阻断电流的杂质，结果依然是边缘继续导电。

出现这个现象的根本原因，就在于边缘被“拓扑保护”起来了；就像长方形上有几个洞不会随意改变一样，薄膜边缘的电学特征也不会随便改变。这个现象是量子霍尔效应的体现，很早就为人所知，只是在不太久之前才得到了拓扑的解释。

但这个效应需要外加一个大磁场才能实现，这太麻烦了，而且在很多场合非常不切实际，无法应用。不用磁场能不能有这么厉害的特征？

也有，那就是理论预言的所谓“量子自旋霍尔效应”——用电子自己的自旋轨道耦合，来代替磁场的效果。而张首晟预言可以在HgTe量子阱实现这一点，并和德国团队合作真的把它造了出来。他们得到的物质，无需外界作用自己就可实现拓扑保护效果，只在边缘导电，内部则是绝缘体。这样的物质，就是所谓的“拓扑绝缘体”。

拓扑绝缘体示意图，中心一层为HgTe，上下两层为绝缘物质丨斯坦福大学官网