節(jié)線半金屬中量子輸運特性及應(yīng)用前景探究

一、引言1.1研究背景與意義在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，拓撲材料的研究已成為一個極為重要且活躍的前沿方向。自拓撲絕緣體的理論預(yù)測被實驗成功觀測后，拓撲材料家族不斷發(fā)展壯大，從最初的拓撲絕緣體逐漸拓展到拓撲半金屬體系。拓撲半金屬作為拓撲材料的重要分支，因其獨特的物理性質(zhì)和潛在應(yīng)用價值，吸引了眾多科研人員的廣泛關(guān)注。節(jié)線半金屬作為拓撲半金屬中的一類特殊材料，擁有更為獨特的電子結(jié)構(gòu)。在節(jié)線半金屬中，能帶交叉形成的并非零維的節(jié)點，而是一維的節(jié)線，這些節(jié)線可看作是由一系列連續(xù)的狄拉克（Dirac）或者外爾（Weyl）點構(gòu)成。這種特殊的節(jié)線型能帶交叉，賦予了節(jié)線半金屬許多新奇的物理特征，使其在拓撲材料領(lǐng)域占據(jù)重要地位。從理論研究角度來看，節(jié)線半金屬的能帶結(jié)構(gòu)蘊含著豐富的物理信息，其拓撲節(jié)線的存在與材料的對稱性密切相關(guān)。通過第一性原理計算等理論方法，可以深入探究節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)、能帶拓撲性質(zhì)以及電子-電子相互作用等微觀機制。這些理論研究不僅有助于我們理解節(jié)線半金屬的本征物理性質(zhì)，還能為新型節(jié)線半金屬材料的設(shè)計和預(yù)測提供理論指導(dǎo)。在實驗研究方面，隨著材料制備技術(shù)和測量手段的不斷進步，科研人員已經(jīng)成功合成了多種節(jié)線半金屬材料，并對其物理性質(zhì)進行了深入研究。角分辨光電子能譜（ARPES）、掃描隧道顯微鏡（STM）等先進技術(shù)的應(yīng)用，使得我們能夠直接觀測節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)和表面態(tài)。然而，目前對于節(jié)線半金屬的研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)，例如如何精確調(diào)控節(jié)線半金屬的電子態(tài)，以及深入理解其在復(fù)雜環(huán)境下的物理行為等。研究節(jié)線半金屬中的量子輸運具有至關(guān)重要的意義。量子輸運性質(zhì)是節(jié)線半金屬物理性質(zhì)的重要體現(xiàn)，通過對量子輸運的研究，可以深入了解節(jié)線半金屬中電子的運動規(guī)律和相互作用機制。量子輸運測量能夠提供關(guān)于材料電學(xué)、磁學(xué)等方面的重要信息，這些信息對于揭示節(jié)線半金屬的拓撲性質(zhì)和新奇量子現(xiàn)象具有關(guān)鍵作用。如通過測量節(jié)線半金屬的磁電阻、霍爾效應(yīng)等量子輸運特性，可以探測到材料中的拓撲表面態(tài)和貝利相位等拓撲信息，為驗證節(jié)線半金屬的拓撲非平庸性提供直接證據(jù)。從應(yīng)用開發(fā)角度來看，節(jié)線半金屬的量子輸運性質(zhì)使其在未來電子學(xué)、自旋電子學(xué)和量子計算等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在電子學(xué)領(lǐng)域，利用節(jié)線半金屬的高載流子遷移率和獨特的能帶結(jié)構(gòu)，有望開發(fā)出高性能的電子器件，如高速晶體管、低功耗集成電路等，從而推動信息技術(shù)的發(fā)展。在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，節(jié)線半金屬中的自旋-動量鎖定特性和拓撲保護的自旋輸運性質(zhì)，為實現(xiàn)新型自旋電子器件提供了可能，如自旋過濾器、磁存儲器件等，這些器件具有更高的存儲密度和更快的讀寫速度，對于信息存儲和處理技術(shù)的革新具有重要意義。在量子計算領(lǐng)域，節(jié)線半金屬中的量子比特候選態(tài)和量子相干特性，為量子比特的設(shè)計和實現(xiàn)提供了新的思路和材料平臺，有助于推動量子計算技術(shù)的發(fā)展，解決傳統(tǒng)計算機難以解決的復(fù)雜問題，如密碼學(xué)、優(yōu)化問題和量子模擬等。研究節(jié)線半金屬中的量子輸運對于深入理解其物理性質(zhì)、揭示新奇量子現(xiàn)象以及推動其在未來電子學(xué)和量子計算等領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)具有不可或缺的關(guān)鍵意義。通過理論與實驗相結(jié)合的方法，深入探究節(jié)線半金屬中的量子輸運機制，將為拓撲材料的研究和應(yīng)用開辟新的道路。1.2節(jié)線半金屬概述節(jié)線半金屬是拓撲半金屬家族中的重要成員，其概念最早源于對材料能帶結(jié)構(gòu)的深入研究。與傳統(tǒng)金屬和半導(dǎo)體不同，節(jié)線半金屬的導(dǎo)帶與價帶在費米能級附近相交，形成了獨特的一維節(jié)線結(jié)構(gòu)。這種節(jié)線可以看作是由一系列連續(xù)的狄拉克（Dirac）點或外爾（Weyl）點連接而成，是節(jié)線半金屬區(qū)別于其他拓撲半金屬的關(guān)鍵特征。在拓撲半金屬的分類體系中，外爾半金屬的能帶交叉形成零維的外爾點，每個外爾點攜帶一個非零的拓撲荷，表現(xiàn)出獨特的手性特征和費米弧表面態(tài)；狄拉克半金屬則是在時間反演對稱性或空間反演對稱性存在的情況下，由成對的外爾點簡并形成狄拉克點，其能帶具有線性色散關(guān)系和四重簡并性。而節(jié)線半金屬的能帶交叉形成一維節(jié)線，這一結(jié)構(gòu)使得節(jié)線半金屬擁有與外爾半金屬和狄拉克半金屬不同的物理性質(zhì)。從晶體結(jié)構(gòu)的角度來看，節(jié)線半金屬的晶體結(jié)構(gòu)往往具有特定的對稱性，這些對稱性對節(jié)線的形成和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。某些節(jié)線半金屬具有空間群對稱性，這種對稱性限制了能帶的交叉方式，從而導(dǎo)致節(jié)線的出現(xiàn)。在一些具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的晶體中，由于缺乏空間反演對稱性，電子的自旋-軌道耦合作用會使得能帶發(fā)生傾斜，進而形成節(jié)線半金屬態(tài)。在三維倒空間中，節(jié)線半金屬的節(jié)線展現(xiàn)出豐富多樣的幾何和拓撲結(jié)構(gòu)。這些節(jié)線可以是封閉的環(huán)，也可以是開放的線段，它們在倒空間中的位置和形狀與材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子相互作用密切相關(guān)。一些節(jié)線半金屬中存在著嵌套的節(jié)線環(huán)結(jié)構(gòu)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不僅增加了材料電子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，還可能導(dǎo)致一些新奇的物理現(xiàn)象。節(jié)線的拓撲性質(zhì)也十分獨特，其攜帶的貝里相位（Berryphase）是表征節(jié)線拓撲非平庸性的重要物理量。貝里相位的存在使得節(jié)線半金屬在電子輸運等過程中表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料截然不同的特性，如反?；魻栃?yīng)、量子振蕩等現(xiàn)象與節(jié)線的拓撲性質(zhì)密切相關(guān)。1.3量子輸運簡介量子輸運作為凝聚態(tài)物理的一個重要分支，主要聚焦于低維系統(tǒng)，特別是納米結(jié)構(gòu)中的電子輸運性質(zhì)。這一領(lǐng)域的研究源于1980年代興起的介觀物理，隨著納米科技和物理實驗技術(shù)的不斷進步，量子輸運逐漸成為凝聚態(tài)物理研究的核心方向之一。量子輸運的概念與傳統(tǒng)的經(jīng)典輸運有著本質(zhì)區(qū)別。在經(jīng)典輸運中，電子通常被視為遵循牛頓力學(xué)的經(jīng)典粒子，其運動軌跡可以通過確定的軌道來描述，輸運過程主要由粒子與雜質(zhì)、晶格振動等的散射機制主導(dǎo)。而在量子輸運中，電子的波動屬性變得至關(guān)重要，不能再簡單地用經(jīng)典的粒子散射圖像來描述。這是因為在低維系統(tǒng)中，電子的德布羅意波長與系統(tǒng)的特征尺寸相當(dāng)，電子的波動性會導(dǎo)致許多量子效應(yīng)的出現(xiàn)，如量子干涉、量子隧穿等，這些效應(yīng)在經(jīng)典輸運中是不存在的。在量子輸運中，電子的行為表現(xiàn)出明顯的量子特性。電子可以通過量子隧穿效應(yīng)穿過經(jīng)典力學(xué)中無法逾越的勢壘，這一現(xiàn)象在掃描隧道顯微鏡（STM）的工作原理中得到了重要應(yīng)用。STM利用電子的量子隧穿效應(yīng)，通過探測針尖與樣品表面之間的隧穿電流，實現(xiàn)對樣品表面原子級分辨率的成像，為研究材料表面的電子結(jié)構(gòu)和原子排列提供了重要手段。電子在量子點中的能級呈現(xiàn)出離散化的特征，這與經(jīng)典物理中電子能量的連續(xù)性截然不同。量子點是一種準零維的納米結(jié)構(gòu)，由于電子在其中的運動受到強烈的量子限制效應(yīng)，電子的能級被量子化，形成一系列離散的能級。這種離散能級結(jié)構(gòu)使得量子點在量子比特、單電子晶體管等量子器件的研究中具有潛在的應(yīng)用價值。低維電子系統(tǒng)為研究量子輸運性質(zhì)提供了重要的平臺。在二維電子系統(tǒng)中，如半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣，電子被限制在二維平面內(nèi)運動，其輸運性質(zhì)受到量子力學(xué)和二維限制效應(yīng)的共同影響。二維電子氣中的電子具有較高的遷移率，并且在強磁場下會出現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)，這是一種典型的量子輸運現(xiàn)象。量子線是一維的納米結(jié)構(gòu)，電子在其中只能沿一個方向自由運動，其量子輸運性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的一維特性，如電導(dǎo)量子化現(xiàn)象。量子環(huán)則是一種特殊的低維結(jié)構(gòu)，電子在其中的運動形成閉合的回路，會出現(xiàn)阿哈羅諾夫-玻姆（Aharonov-Bohm）效應(yīng)，即電子的相位會受到環(huán)內(nèi)磁通量的影響，導(dǎo)致電子輸運性質(zhì)的周期性變化。這些低維電子系統(tǒng)中的量子輸運現(xiàn)象不僅豐富了我們對量子力學(xué)基本原理的理解，也為新型量子器件的設(shè)計和開發(fā)提供了物理基礎(chǔ)。1.4研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)近年來，節(jié)線半金屬量子輸運的研究取得了顯著進展?？蒲腥藛T通過先進的實驗技術(shù)和理論計算，對多種節(jié)線半金屬材料的量子輸運性質(zhì)進行了深入探索。在材料體系方面，SnTaS?、ZrSiSe等層狀節(jié)線半金屬成為研究熱點。安徽大學(xué)高文帥副教授課題組對SnTaS?納米片進行研究，利用微納加工技術(shù)、量子輸運測量及理論計算等方法，成功探測到節(jié)線半金屬SnTaS?中鼓膜狀表面態(tài)引起的量子振蕩現(xiàn)象。隨著材料厚度減薄到114納米以下，其磁阻出現(xiàn)了塊材樣品沒有的SdH量子振蕩現(xiàn)象，且振蕩幅度隨厚度減薄逐漸增強。進一步分析表明量子振蕩對應(yīng)的電子口袋具有明顯二維特征，且其載流子具有小的有效質(zhì)量和拓撲非平庸的貝利相位，為其拓撲非平庸二維表面態(tài)提供了電輸運證據(jù)。劉學(xué)教授與美國阿肯色大學(xué)胡津教授及美國杜蘭大學(xué)魏江教授合作，對ZrSiSe納米片開展研究，充分利用其晶體的二維可剝離特性，解決了有效削減塊體對輸運信號干擾的難題，從而實現(xiàn)對表面電子態(tài)的精準探測。實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著ZrSiSe樣品厚度的縮減，其Shubnikov-deHaas量子震蕩逐漸由單一頻率（FB=210T）演化至兩個頻率（FB=210T和FS=445T）。在薄層樣品中（小于60nm），新頻率FS展現(xiàn)出表面態(tài)特有的二維特性，且與第一性原理計算及ARPES探測的浮動帶表面態(tài)一致，并展現(xiàn)出較高的電子遷移率及一定的穩(wěn)定性。盡管節(jié)線半金屬量子輸運研究已取得不少成果，但當(dāng)前仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在實驗方面，如何精確分離體態(tài)與表面態(tài)的輸運信號是一大難題。由于節(jié)線半金屬體態(tài)和表面態(tài)共存，且相互之間存在較強的耦合作用，導(dǎo)致在測量輸運性質(zhì)時，很難準確區(qū)分信號究竟來自體態(tài)還是表面態(tài)。目前主要通過減薄樣品厚度、利用界面修飾等方法來增強表面態(tài)信號，但這些方法仍存在一定局限性，難以實現(xiàn)對表面態(tài)輸運性質(zhì)的精確測量。在理論模型方面，雖然已有一些理論模型用于描述節(jié)線半金屬的量子輸運性質(zhì)，但這些模型大多基于簡化的假設(shè)，難以全面準確地描述節(jié)線半金屬中復(fù)雜的電子相互作用和輸運過程。在考慮電子-電子相互作用、電子-聲子相互作用以及材料的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷等因素時，現(xiàn)有的理論模型往往存在較大偏差，需要進一步完善和發(fā)展更加精確的理論模型。對節(jié)線半金屬量子輸運的研究還需要深入探索其在復(fù)雜環(huán)境下的輸運行為，如高溫、高壓、強磁場等極端條件下的量子輸運性質(zhì)。這些極端條件下，節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)和輸運機制可能發(fā)生顯著變化，目前對這些變化的理解還十分有限，需要通過更多的實驗和理論研究來揭示其中的物理規(guī)律。二、節(jié)線半金屬的基本特性2.1晶體結(jié)構(gòu)與對稱性2.1.1典型晶體結(jié)構(gòu)節(jié)線半金屬的晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣化的特征，不同的晶體結(jié)構(gòu)對其電子態(tài)和物理性質(zhì)有著顯著影響。以ZrSiSe和SnTaS?為例，它們作為典型的節(jié)線半金屬，在晶體結(jié)構(gòu)方面具有獨特之處。ZrSiSe晶體屬于四方晶系，空間群為I4_1/amd。在其晶體結(jié)構(gòu)中，Zr原子位于晶胞的頂點和體心位置，形成了一個類似于四方格子的框架結(jié)構(gòu)。Si和Se原子則位于特定的位置，與Zr原子相互連接，構(gòu)建起了整個晶體的三維結(jié)構(gòu)。這種原子排列方式使得ZrSiSe晶體具有一定的層狀特征，層與層之間通過較弱的范德華力相互作用。從晶格參數(shù)來看，ZrSiSe的晶格常數(shù)a和b相等，且c軸方向的長度與a、b存在特定的比例關(guān)系。這些晶格參數(shù)的具體數(shù)值決定了晶體中原子間的距離和相對位置，進而影響了電子在晶體中的運動和相互作用。Zr原子與Si、Se原子之間的距離和鍵長對電子的局域化程度和能帶結(jié)構(gòu)有著重要影響。較短的鍵長通常意味著更強的原子間相互作用，使得電子云的重疊程度增加，從而導(dǎo)致能帶的展寬和電子態(tài)的變化。在SnTaS?晶體中，其結(jié)構(gòu)屬于正交晶系，空間群為Pnma。Sn、Ta和S原子按照特定的方式排列，形成了復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。Sn原子和Ta原子在晶胞中占據(jù)不同的位置，它們與S原子之間通過化學(xué)鍵相互連接，構(gòu)建起了三維的晶體骨架。SnTaS?晶體也具有一定的層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)原子之間的相互作用較強，而層間則通過較弱的范德華力相互維系。SnTaS?的晶格參數(shù)a、b、c各不相同，這種各向異性的晶格結(jié)構(gòu)使得晶體在不同方向上的物理性質(zhì)表現(xiàn)出差異。在電學(xué)輸運性質(zhì)方面，電子在不同晶軸方向上的遷移率可能會有所不同，這是由于晶格結(jié)構(gòu)的各向異性導(dǎo)致電子在不同方向上受到的散射和相互作用不同。晶格參數(shù)的變化還會影響晶體的能帶結(jié)構(gòu)，如能帶的色散關(guān)系和帶隙大小等，從而對節(jié)線半金屬的量子輸運性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。這些晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列方式和晶格參數(shù)對電子態(tài)的影響機制主要體現(xiàn)在以下幾個方面。原子的排列方式?jīng)Q定了電子的局域環(huán)境和原子間的相互作用。在ZrSiSe和SnTaS?中，特定的原子排列使得電子在某些區(qū)域更容易局域化，而在其他區(qū)域則表現(xiàn)出相對的離域性。這種局域化和離域化的程度對電子的能量狀態(tài)和波函數(shù)分布有著重要影響，進而影響了能帶的形成和節(jié)線的出現(xiàn)。晶格參數(shù)的變化會改變原子間的距離和鍵長，從而影響電子的運動和相互作用。較小的晶格參數(shù)通常會導(dǎo)致原子間距離縮短，電子云的重疊程度增加，使得電子之間的相互作用增強，能帶展寬。反之，較大的晶格參數(shù)會使原子間距離增大，電子相互作用減弱，能帶變窄。這種能帶結(jié)構(gòu)的變化會直接影響節(jié)線半金屬的量子輸運性質(zhì)，如載流子的遷移率、電導(dǎo)率等。2.1.2對稱性分析晶體對稱性在節(jié)線半金屬中扮演著至關(guān)重要的角色，它與節(jié)線的形成、穩(wěn)定性以及材料的物理性質(zhì)密切相關(guān)。晶體的對稱性是由其內(nèi)部原子的排列方式所決定的，通過對稱操作（如旋轉(zhuǎn)、反映、反伸等）可以使晶體在操作前后保持不變。在節(jié)線半金屬中，非簡單對稱性對節(jié)線的形成起著關(guān)鍵作用。某些節(jié)線半金屬具有空間群對稱性，這種對稱性限制了能帶的交叉方式，從而導(dǎo)致節(jié)線的出現(xiàn)。在具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的晶體中，由于缺乏空間反演對稱性，電子的自旋-軌道耦合作用會使得能帶發(fā)生傾斜，進而形成節(jié)線半金屬態(tài)。這種非簡單對稱性的存在使得節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)具有獨特的拓撲性質(zhì)，與傳統(tǒng)的具有中心對稱結(jié)構(gòu)的材料截然不同。對稱性破缺對節(jié)線半金屬的性質(zhì)有著深遠的影響。當(dāng)晶體的對稱性發(fā)生破缺時，節(jié)線的穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。在一些情況下，對稱性破缺可能導(dǎo)致節(jié)線的消失或變形，從而改變材料的拓撲性質(zhì)。在施加外部電場或磁場時，晶體的對稱性會受到破壞，這可能會導(dǎo)致節(jié)線半金屬的量子輸運性質(zhì)發(fā)生顯著變化，如出現(xiàn)反?；魻栃?yīng)、磁電阻變化等現(xiàn)象。對稱性破缺還會影響節(jié)線半金屬中電子的相互作用和散射機制。在對稱性破缺的情況下，電子的散射過程可能會受到額外的散射中心或散射勢的影響，從而改變電子的輸運路徑和散射概率。這種變化會對節(jié)線半金屬的電導(dǎo)率、載流子遷移率等量子輸運性質(zhì)產(chǎn)生重要影響，使得材料在電子學(xué)和自旋電子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出獨特的性能。二、節(jié)線半金屬的基本特性2.2能帶結(jié)構(gòu)與拓撲性質(zhì)2.2.1能帶交叉與節(jié)線形成在節(jié)線半金屬中，導(dǎo)帶與價帶在特定的k空間區(qū)域交叉形成節(jié)線，這一獨特的電子結(jié)構(gòu)特征是理解其物理性質(zhì)的關(guān)鍵。為了深入探究節(jié)線的形成機制，我們可以借助緊束縛模型等理論工具。緊束縛模型是一種基于原子軌道線性組合（LCAO）的近似方法，它將晶體中的電子看作是在原子實的勢場中運動，并且電子主要受到與其最近鄰原子的相互作用影響。在節(jié)線半金屬中，通過緊束縛模型可以描述原子軌道之間的相互作用如何導(dǎo)致能帶的交叉和節(jié)線的形成。以具有特定晶體結(jié)構(gòu)的節(jié)線半金屬為例，假設(shè)晶體中存在兩種不同類型的原子A和B，它們的原子軌道在空間中相互重疊。當(dāng)電子在這些原子軌道之間躍遷時，會產(chǎn)生不同的能量狀態(tài)，從而形成能帶。在某些特定的k空間區(qū)域，由于原子軌道的對稱性和相互作用的特殊性，導(dǎo)帶和價帶的能量會發(fā)生交叉。這種交叉并不是孤立的點，而是形成一系列連續(xù)的點，進而構(gòu)成了一維的節(jié)線。在具有空間群對稱性的節(jié)線半金屬中，空間群的對稱性操作會對原子軌道的相互作用產(chǎn)生限制，使得能帶在特定的k空間路徑上發(fā)生交叉，形成穩(wěn)定的節(jié)線結(jié)構(gòu)。不同類型的節(jié)線半金屬在能帶特點上存在顯著差異。狄拉克節(jié)線半金屬的能帶交叉形成的節(jié)線由狄拉克點組成，狄拉克點處的能帶具有線性色散關(guān)系，類似于無質(zhì)量的狄拉克費米子。在這種節(jié)線半金屬中，節(jié)線周圍的能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出高度的對稱性，電子在節(jié)線附近的運動表現(xiàn)出獨特的量子特性。外爾節(jié)線半金屬的節(jié)線則是由外爾點構(gòu)成，每個外爾點攜帶一個非零的拓撲荷，具有手性特征。與狄拉克節(jié)線半金屬不同，外爾節(jié)線半金屬的節(jié)線在k空間中的分布和能帶的色散關(guān)系更加復(fù)雜，其能帶結(jié)構(gòu)的不對稱性導(dǎo)致了一些新奇的物理現(xiàn)象，如手性異常和費米弧表面態(tài)等。還有一些節(jié)線半金屬具有更復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)，如多節(jié)線共存或節(jié)線與其他能帶特征相互交織的情況。在某些材料中，可能存在多個不同形狀和位置的節(jié)線，它們之間的相互作用會影響電子的輸運和光學(xué)性質(zhì)。這些復(fù)雜的能帶結(jié)構(gòu)為節(jié)線半金屬的研究帶來了更多的挑戰(zhàn)和機遇，也使得節(jié)線半金屬成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中一個充滿活力的研究方向。2.2.2拓撲不變量與表面態(tài)拓撲不變量是描述節(jié)線半金屬拓撲性質(zhì)的重要物理量，它能夠定量地刻畫材料的拓撲特性，與材料的表面態(tài)密切相關(guān)。在節(jié)線半金屬中，常用的拓撲不變量包括陳數(shù)（Chernnumber）、纏繞數(shù)（windingnumber）等。陳數(shù)是一種基于Berry相位的拓撲不變量，它描述了能帶在k空間中的全局拓撲性質(zhì)。在節(jié)線半金屬中，陳數(shù)可以用來判斷節(jié)線的拓撲非平庸性。當(dāng)陳數(shù)不為零時，表明節(jié)線具有拓撲保護的特性，這種拓撲保護使得節(jié)線在受到一定程度的擾動時仍然能夠保持穩(wěn)定。節(jié)線半金屬中的拓撲節(jié)線通常具有非零的陳數(shù)，這意味著它們在拓撲上是不平凡的，與周圍的平凡能帶區(qū)域存在本質(zhì)的區(qū)別。纏繞數(shù)則是另一種重要的拓撲不變量，它主要用于描述節(jié)線在k空間中的纏繞方式和拓撲結(jié)構(gòu)。纏繞數(shù)可以通過計算節(jié)線在k空間中的環(huán)繞數(shù)來確定，它反映了節(jié)線與周圍能帶的相對位置和拓撲關(guān)系。在一些具有復(fù)雜節(jié)線結(jié)構(gòu)的半金屬中，纏繞數(shù)能夠揭示節(jié)線之間的相互作用和拓撲連接方式，為理解材料的電子結(jié)構(gòu)提供了重要的信息。拓撲不變量與表面態(tài)之間存在著深刻的內(nèi)在聯(lián)系。拓撲節(jié)線半金屬的拓撲非平庸性會導(dǎo)致其表面出現(xiàn)獨特的表面態(tài)，這些表面態(tài)受到拓撲保護，具有一些特殊的性質(zhì)。拓撲節(jié)線半金屬的表面態(tài)通常具有線性色散關(guān)系，類似于石墨烯中的狄拉克錐，并且表面態(tài)的電子具有自旋-動量鎖定的特性，即電子的自旋方向與動量方向相互關(guān)聯(lián)。拓撲非平庸表面態(tài)具有重要的意義。在量子輸運方面，表面態(tài)的存在會對節(jié)線半金屬的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。由于表面態(tài)的電子具有較高的遷移率和獨特的輸運特性，它們可以在材料的表面形成高效的導(dǎo)電通道，從而影響材料的電導(dǎo)率和磁電阻等輸運性質(zhì)。在ZrSiSe等拓撲節(jié)線半金屬中，通過實驗測量發(fā)現(xiàn)表面態(tài)對磁電阻的貢獻顯著，這表明表面態(tài)在量子輸運過程中扮演著重要的角色。拓撲非平庸表面態(tài)還在其他物理現(xiàn)象中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在光學(xué)性質(zhì)方面，表面態(tài)的存在會導(dǎo)致材料對光的吸收和發(fā)射表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的特性，為光電器件的設(shè)計提供了新的思路。在超導(dǎo)領(lǐng)域，拓撲節(jié)線半金屬的表面態(tài)與超導(dǎo)態(tài)之間的相互作用也成為研究的熱點，探索表面態(tài)如何影響超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)機制，對于理解拓撲超導(dǎo)現(xiàn)象具有重要意義。三、量子輸運的理論基礎(chǔ)3.1量子輸運的基本理論3.1.1非平衡態(tài)格林函數(shù)方法非平衡態(tài)格林函數(shù)方法是描述量子體系中電子輸運的重要理論工具，它為研究非平衡態(tài)下電子的行為提供了統(tǒng)一的框架，在凝聚態(tài)物理和納米電子學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。非平衡態(tài)格林函數(shù)（NEGF）是對平衡態(tài)格林函數(shù)的推廣，其核心在于描述量子系統(tǒng)在非平衡態(tài)下的行為。在平衡態(tài)下，格林函數(shù)主要用于描述系統(tǒng)的激發(fā)態(tài)密度和熱力學(xué)性質(zhì)，而在非平衡態(tài)下，NEGF則能夠刻畫系統(tǒng)中的電荷、能量和自旋等自由度在時間和空間上的演化。從物理意義上講，非平衡態(tài)格林函數(shù)反映了在給定的初始條件和邊界條件下，電子在量子體系中的傳播和相互作用情況。它包含了電子在不同時刻和位置之間的關(guān)聯(lián)信息，通過對這些信息的分析，可以深入了解電子的輸運過程。在量子體系中，計算電流和電導(dǎo)等輸運性質(zhì)是研究量子輸運的關(guān)鍵任務(wù)。借助非平衡態(tài)格林函數(shù)方法，我們可以通過以下步驟來實現(xiàn)這些計算。通過求解量子體系的哈密頓量，得到體系的本征態(tài)和本征能量。這是計算的基礎(chǔ)，因為本征態(tài)和本征能量決定了電子的能量狀態(tài)和波函數(shù)分布。然后，利用非平衡態(tài)格林函數(shù)的定義和性質(zhì)，計算出電子的自能和格林函數(shù)。自能描述了電子與周圍環(huán)境相互作用對其能量的修正，而格林函數(shù)則包含了電子在體系中的傳播信息。在計算電流時，通常采用Landauer-Büttiker公式，該公式將電流與電子的透射系數(shù)和化學(xué)勢差聯(lián)系起來。通過非平衡態(tài)格林函數(shù)方法，可以計算出電子在量子體系中的透射系數(shù)，從而得到電流的表達式。對于電導(dǎo)的計算，根據(jù)歐姆定律，電導(dǎo)等于電流與電壓之比。在量子體系中，通過對電流和電壓的量子力學(xué)描述，可以得到電導(dǎo)的計算公式。在一些納米結(jié)構(gòu)中，利用非平衡態(tài)格林函數(shù)方法結(jié)合密度泛函理論，可以精確計算出體系的電流-電壓特性和電導(dǎo)，為納米電子器件的設(shè)計和性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。在研究量子點接觸的輸運性質(zhì)時，非平衡態(tài)格林函數(shù)方法能夠準確描述電子在量子點中的能級結(jié)構(gòu)和輸運過程。通過計算電子的自能和格林函數(shù)，可以得到量子點接觸的電導(dǎo)量子化特性，與實驗結(jié)果相符。在研究分子電子器件時，非平衡態(tài)格林函數(shù)方法可以考慮分子與電極之間的相互作用，計算分子的電子輸運性質(zhì)，為分子器件的設(shè)計和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。3.1.2玻爾茲曼輸運方程玻爾茲曼輸運方程（BTE）在半經(jīng)典近似下處理量子輸運問題，它將微觀粒子的統(tǒng)計行為與宏觀輸運現(xiàn)象聯(lián)系起來，在理論物理和工程應(yīng)用中具有重要意義。玻爾茲曼輸運方程描述了粒子分布函數(shù)f(\vec{r},\vec{v},t)的時空演化，其標準形式為：\frac{\partialf}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nabla_{\vec{r}}f+\frac{\vec{F}}{m}\cdot\nabla_{\vec{v}}f=\left(\frac{\partialf}{\partialt}\right)_{coll}其中，\vec{r}是位置矢量，\vec{v}是速度矢量，\vec{F}是外力，m是粒子質(zhì)量，右端項\left(\frac{\partialf}{\partialt}\right)_{coll}是碰撞項，描述粒子間相互作用導(dǎo)致的分布函數(shù)變化。分布函數(shù)f(\vec{r},\vec{v},t)表示在時刻t，在相空間體元d\vec{r}d\vec{v}中的粒子數(shù)。方程左邊描述了單粒子在外場作用下的自由運動，右邊的碰撞項則描述了粒子間的相互作用。碰撞項是玻爾茲曼輸運方程中最為復(fù)雜的部分，對于雙粒子碰撞，其完整形式為：\left(\frac{\partialf}{\partialt}\right)_{coll}=\int\int(f'f'_1-ff_1)\cdot\sigma(\Omega)|\vec{v}-\vec{v}_1|d\Omegad\vec{v}_1其中，f'和f'_1是碰撞后的分布函數(shù)，f和f_1是碰撞前的分布函數(shù)，\sigma(\Omega)是微分散射截面，\Omega是散射立體角，|\vec{v}-\vec{v}_1|是相對速度。這個復(fù)雜的積分方程體現(xiàn)了粒子對的相互作用，每次碰撞涉及兩個粒子，碰撞前后的分布函數(shù)之差(f'f'_1-ff_1)反映了碰撞導(dǎo)致的相空間分布變化；碰撞幾何，微分散射截面\sigma(\Omega)包含了粒子間相互作用的具體細節(jié)，對于剛性球模型，\sigma(\Omega)與碰撞參數(shù)和粒子半徑有關(guān)，對于庫侖相互作用，則需要考慮散射角的盧瑟福公式；動量和能量守恒，碰撞過程必須滿足動量和能量守恒定律：\vec{v}'+\vec{v}'_1=\vec{v}+\vec{v}_1，|\vec{v}'|^2+|\vec{v}'_1|^2=|\vec{v}|^2+|\vec{v}_1|^2，這些守恒定律限制了可能的碰撞后狀態(tài)。玻爾茲曼輸運方程的有效性基于以下關(guān)鍵假設(shè)：分子混沌假設(shè)，即碰撞前粒子的速度沒有相關(guān)性，兩體分布函數(shù)可分解為單粒子分布函數(shù)的乘積f_2(\vec{r},\vec{v},\vec{r}_1,\vec{v}_1)=f(\vec{r},\vec{v})\cdotf(\vec{r}_1,\vec{v}_1)，該假設(shè)僅在稀薄氣體中較為準確；二體碰撞近似，只考慮雙粒子碰撞，忽略多體碰撞效應(yīng)，這要求氣體足夠稀薄，使得粒子平均自由程遠大于分子直徑，即\lambda\ggd，其中\(zhòng)lambda是平均自由程，d是分子直徑；局域平衡假設(shè)，分布函數(shù)的變化時間尺度遠大于分子碰撞時間，即\tau_{macro}\gg\tau_{coll}，這確保了在宏觀變化過程中，系統(tǒng)在微觀上可以達到局域平衡。在節(jié)線半金屬中，玻爾茲曼輸運方程可用于分析電子的輸運性質(zhì)。通過求解玻爾茲曼輸運方程，可以得到電子的漂移速度、電導(dǎo)率等物理量。在研究節(jié)線半金屬的熱電輸運性質(zhì)時，利用玻爾茲曼輸運方程可以計算Seebeck系數(shù)、熱導(dǎo)率等熱電參數(shù)，從而深入了解節(jié)線半金屬在熱電轉(zhuǎn)換方面的性能。玻爾茲曼輸運方程也存在一定的局限性。它基于半經(jīng)典近似，忽略了電子的量子相干性和量子隧穿等量子效應(yīng)。在低維系統(tǒng)和納米結(jié)構(gòu)中，這些量子效應(yīng)往往變得顯著，玻爾茲曼輸運方程的適用性受到限制。當(dāng)電子的德布羅意波長與系統(tǒng)的特征尺寸相當(dāng)或更大時，電子的波動性不可忽略，此時玻爾茲曼輸運方程無法準確描述電子的輸運行為。在處理強關(guān)聯(lián)電子體系時，玻爾茲曼輸運方程也難以準確描述電子之間的強相互作用和復(fù)雜的輸運過程。三、量子輸運的理論基礎(chǔ)3.2節(jié)線半金屬中量子輸運的理論模型3.2.1有效哈密頓量模型在研究節(jié)線半金屬的量子輸運性質(zhì)時，有效哈密頓量模型是一種重要的理論工具。構(gòu)建節(jié)線半金屬在節(jié)線圈附近的有效哈密頓量，能夠為我們深入理解其電子態(tài)和量子輸運性質(zhì)提供關(guān)鍵的理論框架。以具有特定晶體結(jié)構(gòu)的節(jié)線半金屬為例，假設(shè)其晶體結(jié)構(gòu)中存在特定的原子排列和對稱性。在節(jié)線圈附近，電子的行為可以通過一個簡化的有效哈密頓量來描述。通常，這個有效哈密頓量可以表示為動量空間的函數(shù)，其中包含了電子的動能項和與晶體勢場相互作用的項。在一些具有空間群對稱性的節(jié)線半金屬中，其有效哈密頓量可以寫成如下形式：H_{eff}=\sum_{i=1}^{3}\alpha_ik_i\sigma_i+\beta\sigma_0其中，k_i是動量分量，\alpha_i是與能帶色散相關(guān)的參數(shù)，\sigma_i是泡利矩陣，\beta是與晶體勢場相關(guān)的常數(shù)，\sigma_0是單位矩陣。這個有效哈密頓量描述了節(jié)線半金屬中電子在節(jié)線圈附近的低能激發(fā)態(tài)，其中第一項表示電子的線性色散關(guān)系，類似于狄拉克費米子的哈密頓量，這使得節(jié)線半金屬中的電子在節(jié)線圈附近具有獨特的量子特性。有效哈密頓量在描述電子態(tài)和量子輸運性質(zhì)時具有重要作用。通過求解這個有效哈密頓量的本征值和本征態(tài)，可以得到節(jié)線半金屬在節(jié)線圈附近的電子能譜和波函數(shù)。這些電子能譜和波函數(shù)包含了豐富的信息，如能帶的色散關(guān)系、電子的有效質(zhì)量等，對于理解節(jié)線半金屬的電學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)至關(guān)重要。在研究量子輸運性質(zhì)時，有效哈密頓量可以用于計算電子的輸運系數(shù)，如電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等。通過將有效哈密頓量與非平衡態(tài)格林函數(shù)方法或玻爾茲曼輸運方程相結(jié)合，可以計算出電子在外部電場、磁場等作用下的輸運行為。在計算電導(dǎo)率時，可以利用非平衡態(tài)格林函數(shù)方法計算電子的電流-電壓特性，從而得到電導(dǎo)率的表達式。在計算熱導(dǎo)率時，可以結(jié)合玻爾茲曼輸運方程，考慮電子-聲子相互作用等因素，計算出電子的熱輸運性質(zhì)。模型參數(shù)具有明確的物理意義。\alpha_i參數(shù)反映了能帶在不同方向上的色散程度，它與晶體的對稱性和原子間的相互作用密切相關(guān)。較大的\alpha_i值表示能帶在該方向上的色散較強，電子的有效質(zhì)量較小，遷移率較高。\beta參數(shù)則與晶體勢場的強度和分布有關(guān)，它決定了電子的能量零點和能帶的整體位置。當(dāng)\beta發(fā)生變化時，能帶會發(fā)生整體的移動，從而影響電子的填充情況和輸運性質(zhì)。這些參數(shù)的變化會導(dǎo)致電子態(tài)和量子輸運性質(zhì)的顯著改變，因此在研究節(jié)線半金屬時，精確確定和調(diào)控這些參數(shù)對于理解和優(yōu)化其物理性質(zhì)具有重要意義。3.2.2超蜂窩晶格緊束縛模型超蜂窩晶格緊束縛模型是研究節(jié)線半金屬電子結(jié)構(gòu)和量子輸運的重要理論模型之一，它基于緊束縛近似，通過考慮原子間的電子躍遷來描述晶體中的電子行為。超蜂窩晶格是一種具有特殊幾何結(jié)構(gòu)的晶格，它由多個原子組成的基本單元在空間中周期性排列而成。在超蜂窩晶格緊束縛模型中，假設(shè)電子主要受到與其最近鄰原子的相互作用影響，電子在不同原子軌道之間的躍遷可以用緊束縛哈密頓量來描述。對于一個具有N個原子的超蜂窩晶格，其緊束縛哈密頓量可以表示為：H=-t\sum_{\langlei,j\rangle,\sigma}c_{i\sigma}^{\dagger}c_{j\sigma}+\sum_{i,\sigma}\epsilon_ic_{i\sigma}^{\dagger}c_{i\sigma}其中，t是最近鄰原子間的躍遷積分，它描述了電子在相鄰原子軌道之間躍遷的概率；\langlei,j\rangle表示對最近鄰原子對的求和；c_{i\sigma}^{\dagger}和c_{i\sigma}分別是原子i上自旋為\sigma的電子的產(chǎn)生和湮滅算符；\epsilon_i是原子i上電子的在位能，它反映了電子在該原子上的能量狀態(tài)。在研究節(jié)線半金屬電子結(jié)構(gòu)時，超蜂窩晶格緊束縛模型可以通過求解哈密頓量的本征值和本征態(tài)來得到電子的能帶結(jié)構(gòu)。由于超蜂窩晶格的特殊幾何結(jié)構(gòu)和對稱性，其能帶結(jié)構(gòu)往往具有獨特的特征。在一些超蜂窩晶格節(jié)線半金屬中，能帶在特定的k空間區(qū)域會出現(xiàn)交叉，形成節(jié)線結(jié)構(gòu)。這種節(jié)線的形成與超蜂窩晶格的原子排列和電子躍遷特性密切相關(guān)，通過調(diào)整模型參數(shù)（如躍遷積分t和在位能\epsilon_i），可以改變能帶的交叉方式和節(jié)線的位置，從而研究節(jié)線半金屬電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控機制。在量子輸運研究中，超蜂窩晶格緊束縛模型也發(fā)揮著重要作用。通過將緊束縛哈密頓量與量子輸運理論（如非平衡態(tài)格林函數(shù)方法或玻爾茲曼輸運方程）相結(jié)合，可以計算節(jié)線半金屬的量子輸運性質(zhì)。在計算電導(dǎo)率時，可以利用非平衡態(tài)格林函數(shù)方法計算電子在超蜂窩晶格中的輸運過程，得到電導(dǎo)率與溫度、電場等因素的關(guān)系。在研究磁輸運性質(zhì)時，可以考慮外加磁場對電子躍遷的影響，通過求解含磁場的緊束縛哈密頓量，計算節(jié)線半金屬的磁電阻、霍爾效應(yīng)等磁輸運特性。將超蜂窩晶格緊束縛模型的計算結(jié)果與實驗進行對比，可以驗證模型的準確性和有效性，進一步深入理解節(jié)線半金屬的量子輸運機制。在一些實驗中，通過測量節(jié)線半金屬的電導(dǎo)率、磁電阻等輸運性質(zhì)，并與超蜂窩晶格緊束縛模型的計算結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者在一定程度上具有較好的一致性。這表明超蜂窩晶格緊束縛模型能夠較好地描述節(jié)線半金屬的量子輸運性質(zhì)，為研究節(jié)線半金屬提供了可靠的理論工具。實驗結(jié)果與模型計算之間也可能存在一些差異，這些差異可能源于實驗中存在的雜質(zhì)、缺陷以及模型中未考慮的電子-電子相互作用、電子-聲子相互作用等因素。通過對這些差異的分析和研究，可以進一步完善超蜂窩晶格緊束縛模型，使其更加準確地描述節(jié)線半金屬的量子輸運性質(zhì)。四、節(jié)線半金屬中量子輸運的實驗研究4.1實驗材料與制備方法4.1.1材料選擇在節(jié)線半金屬量子輸運的實驗研究中，材料的選擇至關(guān)重要。ZrSiSe和SnTaS?等典型節(jié)線半金屬材料因其獨特的物理性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)，成為了研究量子輸運的理想對象。ZrSiSe屬于四方晶系，空間群為I4_1/amd，其晶體結(jié)構(gòu)具有一定的層狀特征，層與層之間通過較弱的范德華力相互作用。這種晶體結(jié)構(gòu)使得ZrSiSe具有良好的可剝離性，能夠通過機械剝離等方法制備出高質(zhì)量的低維結(jié)構(gòu)，為研究量子輸運提供了便利。從電子結(jié)構(gòu)角度來看，ZrSiSe在費米能級附近存在著獨特的節(jié)線結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)帶和價帶在特定的k空間區(qū)域交叉形成節(jié)線，這使得ZrSiSe中的電子具有特殊的量子特性，如線性色散關(guān)系和較高的遷移率。這些特性使得ZrSiSe在量子輸運研究中具有重要價值，能夠為揭示節(jié)線半金屬的量子輸運機制提供關(guān)鍵信息。SnTaS?晶體屬于正交晶系，空間群為Pnma，同樣具有層狀結(jié)構(gòu)。其原子排列方式和晶格參數(shù)決定了SnTaS?的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。在SnTaS?中，節(jié)線的存在導(dǎo)致了電子態(tài)的特殊分布，使得材料在電學(xué)、磁學(xué)等方面表現(xiàn)出獨特的性質(zhì)。SnTaS?的低維結(jié)構(gòu)在量子輸運研究中具有重要意義，通過制備SnTaS?的納米片等低維結(jié)構(gòu)，可以有效增強表面態(tài)對輸運性質(zhì)的貢獻，從而更深入地研究節(jié)線半金屬的量子輸運特性。這些材料的特性對量子輸運研究具有重要意義。它們的節(jié)線結(jié)構(gòu)和電子態(tài)特征決定了電子在材料中的輸運行為，為研究量子輸運提供了豐富的物理內(nèi)涵。在ZrSiSe中，由于節(jié)線附近電子的線性色散關(guān)系，電子在輸運過程中具有較高的遷移率，這使得ZrSiSe在電學(xué)輸運方面表現(xiàn)出獨特的性質(zhì)，如較高的電導(dǎo)率和特殊的磁電阻效應(yīng)。SnTaS?的低維結(jié)構(gòu)使得表面態(tài)對輸運性質(zhì)的影響更為顯著，通過研究SnTaS?納米片的量子輸運性質(zhì)，可以深入了解表面態(tài)在節(jié)線半金屬量子輸運中的作用機制。這些材料的可制備性和穩(wěn)定性也是其在實驗研究中被廣泛應(yīng)用的重要原因。ZrSiSe和SnTaS?可以通過多種方法進行制備，如化學(xué)氣相沉積、分子束外延等，這些制備方法能夠精確控制材料的生長和結(jié)構(gòu)，從而獲得高質(zhì)量的樣品。這些材料在一定條件下具有較好的穩(wěn)定性，能夠保證實驗研究的可靠性和可重復(fù)性，為深入研究節(jié)線半金屬的量子輸運性質(zhì)提供了堅實的基礎(chǔ)。4.1.2微納加工技術(shù)微納加工技術(shù)在制備節(jié)線半金屬微納結(jié)構(gòu)中起著關(guān)鍵作用，通過這些技術(shù)可以精確控制材料的尺寸和結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對量子輸運性質(zhì)的有效調(diào)控。機械剝離是一種常用的制備低維材料的方法，在節(jié)線半金屬研究中，它可以從塊體材料中獲得高質(zhì)量的納米片。以ZrSiSe為例，機械剝離過程通常是利用膠帶等工具，將ZrSiSe塊體材料反復(fù)粘貼和剝離，逐步得到厚度逐漸減小的納米片。在這個過程中，需要注意操作的力度和環(huán)境的清潔，以避免對納米片造成損傷和污染。為了保證材料質(zhì)量，應(yīng)選擇高質(zhì)量的ZrSiSe塊體作為起始材料，并且在剝離過程中盡量減少對材料晶體結(jié)構(gòu)的破壞。通過原子力顯微鏡（AFM）等表征手段可以對剝離得到的納米片的厚度和表面平整度進行精確測量，確保納米片的質(zhì)量符合實驗要求。分子束外延（MBE）是一種在超高真空環(huán)境下進行薄膜生長的技術(shù)，它能夠精確控制原子的沉積速率和生長方向，從而實現(xiàn)對節(jié)線半金屬微納結(jié)構(gòu)的原子級精確控制。在制備節(jié)線半金屬微納結(jié)構(gòu)時，MBE技術(shù)可以在特定的襯底上逐層生長原子，精確控制每層原子的種類和數(shù)量，從而實現(xiàn)對材料結(jié)構(gòu)和性能的精確調(diào)控。在生長ZrSiSe薄膜時，可以通過精確控制Zr、Si和Se原子的束流強度和沉積時間，實現(xiàn)對ZrSiSe薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。利用反射高能電子衍射（RHEED）等原位監(jiān)測技術(shù)，可以實時監(jiān)測薄膜的生長過程，確保生長的薄膜具有高質(zhì)量和完整的結(jié)構(gòu)。在制備過程中，對材料質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性的控制至關(guān)重要。通過優(yōu)化加工參數(shù)，可以有效提高材料的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性。在機械剝離過程中，調(diào)整剝離的力度和次數(shù)，可以控制納米片的厚度和質(zhì)量；在分子束外延過程中，精確控制原子的束流強度、沉積速率和襯底溫度等參數(shù)，可以實現(xiàn)對薄膜生長的精確控制，從而獲得高質(zhì)量的節(jié)線半金屬微納結(jié)構(gòu)。采用先進的表征技術(shù)對制備的微納結(jié)構(gòu)進行全面表征也是確保材料質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵。除了原子力顯微鏡和反射高能電子衍射外，還可以利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等技術(shù)對微納結(jié)構(gòu)的形貌和晶體結(jié)構(gòu)進行分析；利用X射線光電子能譜（XPS）等技術(shù)對材料的化學(xué)成分和電子態(tài)進行表征。通過這些表征技術(shù)，可以全面了解制備的微納結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性，為后續(xù)的量子輸運實驗研究提供可靠的材料基礎(chǔ)。四、節(jié)線半金屬中量子輸運的實驗研究4.2量子輸運測量技術(shù)4.2.1磁輸運測量磁輸運測量是研究節(jié)線半金屬量子輸運特性的重要手段之一，通過測量磁阻、霍爾效應(yīng)等磁輸運性質(zhì)，可以深入了解節(jié)線半金屬中電子的運動規(guī)律和相互作用機制。磁阻是指材料在磁場作用下電阻的變化，其測量原理基于材料中電子在磁場中的洛倫茲力作用。當(dāng)電子在磁場中運動時，會受到洛倫茲力的作用，導(dǎo)致電子的運動軌跡發(fā)生彎曲，從而增加了電子與雜質(zhì)、晶格等的散射概率，使得電阻增大。磁阻的計算公式為：\rho_{xy}(B)=\frac{\DeltaR}{R_0}其中，\rho_{xy}(B)是磁阻，\DeltaR是磁場為B時電阻的變化量，R_0是零磁場下的電阻。在節(jié)線半金屬中，磁阻的變化與材料的電子結(jié)構(gòu)和拓撲性質(zhì)密切相關(guān)。由于節(jié)線半金屬中存在拓撲保護的表面態(tài)，這些表面態(tài)的電子在磁場中的運動表現(xiàn)出獨特的性質(zhì)，導(dǎo)致磁阻出現(xiàn)與傳統(tǒng)材料不同的變化規(guī)律。在一些節(jié)線半金屬中，磁阻會隨著磁場的增加而呈現(xiàn)出非線性的變化，甚至出現(xiàn)磁阻振蕩現(xiàn)象，這與表面態(tài)電子的量子化運動和量子干涉效應(yīng)有關(guān)。霍爾效應(yīng)是指當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象。其原理基于電子在磁場中的洛倫茲力作用，使得電子在垂直于電流和磁場的方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而在導(dǎo)體兩側(cè)積累電荷，形成霍爾電壓?；魻栃?yīng)的計算公式為：V_H=\frac{IB}{nqd}其中，V_H是霍爾電壓，I是電流，B是磁場強度，n是載流子濃度，q是電子電荷量，d是導(dǎo)體的厚度。通過測量霍爾電壓，可以計算出材料的載流子濃度和遷移率等參數(shù)。在節(jié)線半金屬中，霍爾效應(yīng)的測量可以提供關(guān)于材料中載流子類型、濃度和輸運性質(zhì)的重要信息。由于節(jié)線半金屬中存在多種載流子（如電子和空穴），且表面態(tài)和體態(tài)的載流子對霍爾效應(yīng)的貢獻不同，通過分析霍爾效應(yīng)數(shù)據(jù)，可以研究不同載流子的輸運行為和相互作用，以及表面態(tài)和體態(tài)的相對貢獻。在分析實驗數(shù)據(jù)時，通常會采用多種方法來提取有用的信息。對于磁阻數(shù)據(jù)，除了分析磁阻隨磁場的變化趨勢外，還可以通過傅里葉變換等數(shù)學(xué)方法，提取磁阻振蕩的頻率和振幅等信息，從而推斷材料中電子的費米面結(jié)構(gòu)和量子態(tài)。在分析霍爾效應(yīng)數(shù)據(jù)時，可以通過繪制霍爾電壓與磁場的關(guān)系曲線，確定霍爾系數(shù)，進而計算載流子濃度和遷移率。還可以結(jié)合其他實驗技術(shù)（如角分辨光電子能譜、掃描隧道顯微鏡等），對磁輸運測量結(jié)果進行驗證和補充，以更全面地理解節(jié)線半金屬的量子輸運特性。4.2.2低溫輸運測量在低溫環(huán)境下進行量子輸運測量對于研究節(jié)線半金屬具有重要意義。隨著溫度降低，電子的熱運動減弱，量子效應(yīng)逐漸凸顯，能夠更清晰地觀察到節(jié)線半金屬的本征量子輸運性質(zhì)。在低溫下，電子的散射機制會發(fā)生變化，雜質(zhì)散射和晶格振動散射等對電子輸運的影響減弱，使得電子的量子相干長度增加，從而更容易觀測到量子干涉、量子隧穿等量子效應(yīng)。低溫環(huán)境還可以抑制一些熱激發(fā)過程，減少噪聲對測量結(jié)果的干擾，提高測量的精度和可靠性。常用的低溫實驗裝置包括稀釋制冷機和液氦制冷系統(tǒng)等。稀釋制冷機是一種能夠?qū)崿F(xiàn)極低溫環(huán)境的設(shè)備，它利用氦-3和氦-4的混合液在不同溫度下的相分離特性，通過蒸發(fā)制冷的方式，可將樣品溫度降低至毫開爾文量級。在稀釋制冷機中，氦-3和氦-4的混合液在低溫下會發(fā)生相分離，富氦-3的相在蒸發(fā)過程中會吸收熱量，從而實現(xiàn)制冷。液氦制冷系統(tǒng)則是利用液氦的低溫特性，將樣品浸泡在液氦中，可將樣品溫度降低至4.2K左右。液氦在常壓下的沸點為4.2K，通過控制液氦的蒸發(fā)速率和補充量，可以維持樣品的低溫環(huán)境。在低溫輸運測量中，需要注意溫度對量子輸運性質(zhì)的影響。隨著溫度降低，節(jié)線半金屬的電阻、載流子遷移率等量子輸運參數(shù)會發(fā)生顯著變化。在一些節(jié)線半金屬中，電阻會隨著溫度的降低而逐漸減小，這是由于低溫下電子的散射概率減小，電子的遷移率增加。在接近絕對零度時，電阻可能會趨近于一個有限的值，這可能與材料中的雜質(zhì)、缺陷以及電子-電子相互作用等因素有關(guān)。載流子遷移率也會隨溫度變化，在低溫下，載流子遷移率通常會增加，這是因為低溫下晶格振動對載流子的散射作用減弱。載流子遷移率的變化還可能與材料的電子結(jié)構(gòu)和拓撲性質(zhì)有關(guān)，如拓撲表面態(tài)的存在可能會影響載流子的散射機制，從而導(dǎo)致遷移率的變化。通過分析低溫下的量子輸運數(shù)據(jù)，可以深入了解節(jié)線半金屬中電子的散射機制和量子輸運過程。在低溫下，通過測量電阻隨溫度的變化關(guān)系，可以研究電子-聲子相互作用、電子-雜質(zhì)相互作用等散射機制對量子輸運的影響。當(dāng)溫度降低時，電子-聲子相互作用減弱，電阻主要由電子-雜質(zhì)相互作用決定。通過分析電阻的溫度依賴性，可以確定雜質(zhì)散射的類型和強度，從而了解材料中的雜質(zhì)分布和缺陷情況。研究低溫下的量子輸運性質(zhì)還可以揭示節(jié)線半金屬的拓撲性質(zhì)和新奇量子現(xiàn)象，為理論研究提供實驗依據(jù)，推動節(jié)線半金屬領(lǐng)域的發(fā)展。四、節(jié)線半金屬中量子輸運的實驗研究4.3實驗結(jié)果與分析4.3.1量子振蕩現(xiàn)象在節(jié)線半金屬量子輸運的實驗研究中，量子振蕩現(xiàn)象是一個重要的研究內(nèi)容。以SnTaS?和ZrSiSe等材料的實驗為例，深入分析量子振蕩現(xiàn)象，對于理解節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)和量子輸運性質(zhì)具有關(guān)鍵意義。在對SnTaS?納米片的研究中，實驗發(fā)現(xiàn)了與鼓膜狀表面態(tài)相關(guān)的量子振蕩現(xiàn)象。當(dāng)材料厚度減薄到114納米以下時，磁阻出現(xiàn)了塊材樣品沒有的Shubnikov-deHaas（SdH）量子振蕩現(xiàn)象，且振蕩幅度隨厚度減薄逐漸增強。這一現(xiàn)象表明，隨著樣品厚度的減小，表面態(tài)對量子輸運的貢獻逐漸增大。通過對量子振蕩數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)量子振蕩對應(yīng)的電子口袋具有明顯二維特征，且其載流子具有小的有效質(zhì)量和拓撲非平庸的貝利相位（Berryphase），這與二維拓撲表面態(tài)特征高度吻合。這一結(jié)果為SnTaS?中鼓膜狀二維表面態(tài)的存在提供了重要的電輸運證據(jù)，也揭示了表面態(tài)在量子輸運中的重要作用。在ZrSiSe納米片的實驗中，同樣觀察到了豐富的量子振蕩現(xiàn)象。隨著ZrSiSe樣品厚度的縮減，其Shubnikov-deHaas量子震蕩逐漸由單一頻率（FB=210T）演化至兩個頻率（FB=210T和FS=445T）。在薄層樣品中（小于60nm），新出現(xiàn)的頻率FS展現(xiàn)出表面態(tài)特有的二維特性。進一步分析表明，該頻率與第一性原理計算及角分辨光電子能譜（ARPES）探測的浮動帶表面態(tài)一致，并且展現(xiàn)出較高的電子遷移率及一定的穩(wěn)定性。這一實驗結(jié)果不僅證實了ZrSiSe中存在拓撲保護的表面態(tài)，還為研究表面態(tài)的量子輸運性質(zhì)提供了直接的實驗依據(jù)。量子振蕩的頻率與材料的費米面結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)Onsager關(guān)系，量子振蕩的頻率與垂直于磁場方向的費米面橫截面積成正比。在節(jié)線半金屬中，由于其獨特的電子結(jié)構(gòu)，費米面的形狀和大小會受到節(jié)線的影響。在一些具有節(jié)線結(jié)構(gòu)的材料中，費米面可能呈現(xiàn)出復(fù)雜的形狀，導(dǎo)致量子振蕩出現(xiàn)多個頻率。量子振蕩的幅度也與材料的特性和表面態(tài)有關(guān)。振蕩幅度通常與載流子的有效質(zhì)量、散射時間以及樣品的質(zhì)量等因素有關(guān)。在表面態(tài)主導(dǎo)的量子振蕩中，振蕩幅度還可能受到表面態(tài)與體態(tài)相互作用的影響。當(dāng)表面態(tài)與體態(tài)之間的耦合較強時，振蕩幅度可能會受到抑制；而當(dāng)表面態(tài)與體態(tài)之間的耦合較弱時，振蕩幅度可能會增強。4.3.2表面態(tài)的量子輸運特性通過實驗探測節(jié)線半金屬表面態(tài)的量子輸運特性，對于深入理解節(jié)線半金屬的物理性質(zhì)和潛在應(yīng)用具有重要意義。在對ZrSiSe納米片的研究中，實驗發(fā)現(xiàn)隨著樣品厚度的減小，表面態(tài)的量子輸運特性逐漸凸顯。在薄層樣品中，新出現(xiàn)的頻率FS展現(xiàn)出表面態(tài)特有的二維特性，這表明表面態(tài)的電子在輸運過程中表現(xiàn)出與體態(tài)電子不同的行為。表面態(tài)的電子遷移率是衡量其量子輸運特性的重要參數(shù)之一。在ZrSiSe納米片的實驗中，通過對量子振蕩數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)表面態(tài)的電子具有較高的遷移率。這是由于表面態(tài)的電子受到的散射相對較少，且其能帶結(jié)構(gòu)具有線性色散關(guān)系，使得電子在輸運過程中能夠保持較高的速度。表面態(tài)的穩(wěn)定性也是一個重要的研究內(nèi)容。實驗結(jié)果表明，ZrSiSe納米片的表面態(tài)在一定程度上具有穩(wěn)定性，即在表面氧化等情況下仍然能夠穩(wěn)定存在。這為節(jié)線半金屬在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性提供了一定的保障。表面態(tài)與體態(tài)之間存在著相互作用，這種相互作用會對節(jié)線半金屬的量子輸運性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。表面態(tài)與體態(tài)之間的電子散射會影響電子的輸運路徑和散射概率，從而改變材料的電導(dǎo)率和磁電阻等輸運性質(zhì)。表面態(tài)與體態(tài)之間的電荷轉(zhuǎn)移也會影響材料的電子結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)。在一些節(jié)線半金屬中，表面態(tài)與體態(tài)之間的電荷轉(zhuǎn)移可能會導(dǎo)致表面態(tài)的電子態(tài)發(fā)生變化，進而影響其量子輸運特性。為了深入研究表面態(tài)與體態(tài)的相互作用，科研人員采用了多種實驗技術(shù)和理論方法。通過角分辨光電子能譜（ARPES）可以直接觀測表面態(tài)和體態(tài)的電子結(jié)構(gòu)，從而研究它們之間的相互作用機制。利用掃描隧道顯微鏡（STM）可以對表面態(tài)的電子態(tài)進行局域探測，進一步了解表面態(tài)與體態(tài)的相互作用情況。理論計算方面，通過第一性原理計算和緊束縛模型等方法，可以模擬表面態(tài)與體態(tài)的相互作用，為實驗研究提供理論支持。五、量子輸運特性與應(yīng)用前景5.1與其他拓撲材料的量子輸運特性對比5.1.1與外爾/狄拉克半金屬對比節(jié)線半金屬與外爾、狄拉克半金屬在量子輸運性質(zhì)上既有相似之處，也存在明顯差異，這些特性與它們各自獨特的能帶結(jié)構(gòu)和拓撲性質(zhì)密切相關(guān)。在能帶結(jié)構(gòu)方面，外爾半金屬的能帶交叉形成零維的外爾點，每個外爾點攜帶一個非零的拓撲荷，且具有手性特征。狄拉克半金屬則是在時間反演對稱性或空間反演對稱性存在的情況下，由成對的外爾點簡并形成狄拉克點，其能帶具有線性色散關(guān)系和四重簡并性。節(jié)線半金屬的能帶交叉形成一維的節(jié)線，這一獨特的結(jié)構(gòu)使得其電子態(tài)分布與外爾、狄拉克半金屬不同。在節(jié)線半金屬中，電子在節(jié)線附近的能量色散呈現(xiàn)出獨特的線性和非線性混合的特征，而外爾和狄拉克半金屬在節(jié)點附近主要表現(xiàn)為線性色散。這些能帶結(jié)構(gòu)的差異直接導(dǎo)致了量子輸運性質(zhì)的不同。在電導(dǎo)率方面，由于節(jié)線半金屬的節(jié)線結(jié)構(gòu)使得電子的散射機制更為復(fù)雜，其電導(dǎo)率的溫度依賴性可能與外爾、狄拉克半金屬有所不同。在一些節(jié)線半金屬中，由于節(jié)線附近電子的散射路徑增多，電導(dǎo)率隨溫度的變化可能更為平緩。而外爾半金屬由于其手性特征，在某些情況下會出現(xiàn)手性反常導(dǎo)致的負磁阻現(xiàn)象，狄拉克半金屬在高磁場下可能會出現(xiàn)量子振蕩等現(xiàn)象，這些都是其與節(jié)線半金屬在電輸運性質(zhì)上的差異。在磁輸運性質(zhì)方面，節(jié)線半金屬的磁電阻和霍爾效應(yīng)也具有獨特的表現(xiàn)。節(jié)線半金屬中的拓撲節(jié)線會導(dǎo)致電子的貝里相位發(fā)生變化，從而影響磁電阻和霍爾效應(yīng)。在一些節(jié)線半金屬中，磁電阻可能會出現(xiàn)與磁場方向相關(guān)的各向異性，且霍爾系數(shù)的大小和符號也可能與外爾、狄拉克半金屬不同。外爾半金屬的費米弧表面態(tài)會對磁輸運產(chǎn)生重要影響，導(dǎo)致其霍爾效應(yīng)具有獨特的手性依賴特性；狄拉克半金屬則由于其四重簡并的能帶結(jié)構(gòu)，在磁場下的磁輸運性質(zhì)也表現(xiàn)出與節(jié)線半金屬不同的規(guī)律。從拓撲性質(zhì)對輸運特性的影響來看，外爾半金屬的手性拓撲荷和狄拉克半金屬的四重簡并拓撲性質(zhì)決定了它們的輸運特性具有特定的對稱性和量子化特征。節(jié)線半金屬的拓撲節(jié)線所攜帶的貝里相位等拓撲不變量則決定了其輸運特性的獨特性，如表面態(tài)的鼓膜狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的量子振蕩現(xiàn)象等。這些拓撲性質(zhì)的差異使得三種拓撲半金屬在量子輸運方面展現(xiàn)出各自獨特的物理現(xiàn)象，為拓撲材料的研究和應(yīng)用提供了豐富的物理內(nèi)涵。5.1.2與拓撲絕緣體對比節(jié)線半金屬與拓撲絕緣體在量子輸運特性上存在顯著的差異和一定的聯(lián)系，主要體現(xiàn)在表面態(tài)和體態(tài)輸運性質(zhì)方面。拓撲絕緣體的體態(tài)是絕緣的，而表面存在受拓撲保護的金屬態(tài)，其表面態(tài)具有獨特的線性色散關(guān)系，且電子具有自旋-動量鎖定的特性。在量子輸運中，拓撲絕緣體的表面態(tài)主導(dǎo)了其輸運性質(zhì)，體態(tài)的貢獻可以忽略不計。由于表面態(tài)的電子具有較高的遷移率和獨特的輸運特性，使得拓撲絕緣體在表面輸運方面表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料截然不同的性質(zhì)，如無耗散的邊緣電流等。節(jié)線半金屬的體態(tài)是金屬性的，同時也存在拓撲保護的表面態(tài)。與拓撲絕緣體不同，節(jié)線半金屬的體態(tài)和表面態(tài)都對量子輸運有重要貢獻。在節(jié)線半金屬中，體態(tài)電子的輸運受到節(jié)線結(jié)構(gòu)的影響，具有獨特的散射機制和能量色散關(guān)系。節(jié)線半金屬的表面態(tài)具有鼓膜狀結(jié)構(gòu)，其電子的輸運特性也與拓撲絕緣體的表面態(tài)有所不同。在量子振蕩現(xiàn)象中，節(jié)線半金屬的表面態(tài)表現(xiàn)出與體態(tài)相互作用的特征，而拓撲絕緣體的表面態(tài)則相對獨立。在電導(dǎo)率方面，拓撲絕緣體的表面電導(dǎo)率較高，且在低溫下表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性；節(jié)線半金屬的電導(dǎo)率則由體態(tài)和表面態(tài)共同決定，其溫度依賴性和磁場依賴性更為復(fù)雜。在磁輸運性質(zhì)上，拓撲絕緣體的表面態(tài)由于自旋-動量鎖定，會導(dǎo)致一些特殊的磁輸運現(xiàn)象，如量子自旋霍爾效應(yīng)；節(jié)線半金屬的磁輸運性質(zhì)則與節(jié)線的拓撲性質(zhì)和表面態(tài)、體態(tài)的相互作用密切相關(guān)，表現(xiàn)出更為豐富的磁電阻和霍爾效應(yīng)變化。盡管兩者存在差異，但也存在一定的聯(lián)系。它們都具有拓撲保護的表面態(tài)，這些表面態(tài)在量子輸運中都發(fā)揮著重要作用。拓撲節(jié)線半金屬和拓撲絕緣體的表面態(tài)都受到拓撲不變量的保護，使得它們在一定程度上具有穩(wěn)定性和獨特的物理性質(zhì)。兩者的研究都為拓撲材料的量子輸運理論和應(yīng)用提供了重要的基礎(chǔ)，推動了拓撲材料在電子學(xué)、自旋電子學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。五、量子輸運特性與應(yīng)用前景5.2在新型電子器件中的應(yīng)用潛力5.2.1自旋電子器件節(jié)線半金屬獨特的量子輸運特性使其在自旋電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在自旋過濾材料方面，節(jié)線半金屬的自旋-動量鎖定特性以及拓撲保護的表面態(tài)為實現(xiàn)高效的自旋過濾提供了可能。由于節(jié)線半金屬的表面態(tài)電子具有特定的自旋取向與動量方向的鎖定關(guān)系，當(dāng)電子通過節(jié)線半金屬薄膜時，只有特定自旋方向的電子能夠順利通過，而其他自旋方向的電子則會受到較大的散射，從而實現(xiàn)自旋過濾的功能。在實際應(yīng)用中，將節(jié)線半金屬與傳統(tǒng)的金屬或半導(dǎo)體材料結(jié)合，可制備出新型的自旋過濾器件。將節(jié)線半金屬ZrSiSe與鐵磁金屬Fe結(jié)合，利用ZrSiSe的表面態(tài)對電子自旋的篩選作用，以及Fe的鐵磁性，有望實現(xiàn)對自旋極化電流的有效調(diào)控。通過調(diào)節(jié)節(jié)線半金屬的厚度和界面質(zhì)量，可以優(yōu)化自旋過濾效率，提高器件的性能。這種自旋過濾器件在磁存儲和自旋邏輯器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，能夠提高存儲密度和運算速度，降低能耗。在自旋軌道矩產(chǎn)生材料方面，節(jié)線半金屬中的強自旋-軌道耦合效應(yīng)使得其成為產(chǎn)生自旋軌道矩的理想材料。自旋軌道矩是指由于電子的自旋與軌道運動相互作用而產(chǎn)生的一種力矩，它在自旋電子學(xué)中對于操控磁矩的翻轉(zhuǎn)和產(chǎn)生自旋電流具有重要作用。節(jié)線半金屬的獨特電子結(jié)構(gòu)，如節(jié)線附近的線性色散關(guān)系和高載流子遷移率，能夠增強自旋-軌道耦合效應(yīng)，從而產(chǎn)生較大的自旋軌道矩。以SnTaS?為例，其晶體結(jié)構(gòu)和電子態(tài)特征導(dǎo)致了較強的自旋-軌道耦合。在外部電場的作用下，SnTaS?中的電子會產(chǎn)生自旋軌道矩，這一特性可用于驅(qū)動磁性材料的磁矩翻轉(zhuǎn)。通過將SnTaS?與磁性材料集成，可構(gòu)建出基于自旋軌道矩的新型自旋電子器件，如自旋軌道矩驅(qū)動的磁隨機存取存儲器（SOT-MRAM）。在SOT-MRAM中，利用節(jié)線半金屬產(chǎn)生的自旋軌道矩來控制磁性存儲單元的磁矩方向，實現(xiàn)信息的寫入和讀取。這種新型存儲器具有寫入速度快、能耗低、可靠性高等優(yōu)點，有望成為下一代非易失性存儲技術(shù)的有力候選者。5.2.2量子信息器件節(jié)線半金屬在量子信息領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，其拓撲保護的表面態(tài)為實現(xiàn)量子比特和量子通信中的信息載體提供了新的思路。在量子比特方面，節(jié)線半金屬的拓撲表面態(tài)具有獨特的量子特性，如長壽命的量子相干性和對環(huán)境噪聲的相對免疫性，這些特性使得拓撲表面態(tài)有可能成為量子比特的候選者。量子比特是量子計算的基本單元，要求具有較長的量子相干時間和可控的量子態(tài)。節(jié)線半金屬的拓撲表面態(tài)電子由于受到拓撲保護，其量子態(tài)相對穩(wěn)定，能夠在一定程度上抵抗外界環(huán)境的干擾，從而保持較長的量子相干時間。通過精確調(diào)控節(jié)線半金屬的電子結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境，可以實現(xiàn)對拓撲表面態(tài)量子比特的初始化、操作和讀取。利用外部電場或磁場可以改變節(jié)線半金屬的能帶結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控拓撲表面態(tài)電子的量子態(tài)，實現(xiàn)量子比特的邏輯操作。