隐藏在材料中的数学变得越来越具有异国情调。物质的拓扑状态（从电子中获得奇异性质），“ Notty”（量子）状态从稀有的好奇心跃升为物理学中最热的领域之一。现在，理论家发现拓扑结构无处不在-并认识到拓扑结构是固体行为的最重要方式之一。

根据5月1日发布的预印本，在过去的几年中，物理学家已经确定了几乎所有结晶固体中都可能发生的拓扑结构的“脆弱”转变。上个月发表在《自然》杂志上的另一项研究描述了碳基器件电子中易碎状态的暗示，如果得到证实，这将是易碎拓扑的第一个实验证据。

重塑物理的奇怪拓扑

现在说这些发现是否会对实际材料产生重大影响还为时过早。但是研究人员发现，它们可能有助于解释某些种类的超导性，并说这种现象在光子学中也很重要，光子学是一种以光脉冲而不是电子来传递信息的技术。易碎的拓扑结构也可能对使用超级计算机模拟材料行为的研究人员产生影响。

最新的研究表明，脆弱的拓扑结构不仅是人们正在消退的激进，学术性的兔子洞。马萨诸塞州剑桥市哈佛大学专门从事凝聚态研究的理论物理学家Ashvin Vishwanath说。“尽管只有一岁，但很难跟上领域的发展。”？/ p>

循环循环

拓扑是数学的一个分支，它处理的是连续剪切对象变形的变形，与剪切或破坏对象的变形相反，这种剪切方式是剪切两个链接的循环将它们取消链接。在某些材料中，电子可以“ Notty”量子态存在，并且这些电子可以使电子保持特定的方向运动，因为改变航向将需要突然改变其状态，就像打结一样。

结果，物理质量受到“光学保护”。最著名的例子是1980年在某些导电的2D材料中发现的量子霍尔效应，其中电阻不受诸如温度等变量的细微变化的影响。这种效果是如此强大，以至于它被用作在5月生效的改革后的SI中定义欧姆“电阻的测量单位”的基础。在3D系统中，类似的效果允许某些被称为拓扑绝缘体的材料“尽管其名称”在其外边缘上是完美的导体，而大部分材料却是绝缘的。

具有这些强大作用的“全拓扑”材料被认为是有前途的热电材料，可以将热量转化为电能。并且一些物理学家希望这些材料将为未来的拓扑量子计算机提供基础，这种拓扑量子计算机可以比传统计算机以指数方式更快地解决某些问题。

强大的拓扑特性来自电子的量子态怪癖：与其像典型的绝缘体（如固体岩盐）中那样，它们不像单个原子那样拥挤在单个原子周围，而是拓扑材料中的某些电子“局域化”并共享集体量子态，伸展整个材料。

“石墨角”石墨烯如何引发物理学

但是理论家已经计算出，有些材料具有离域电子，但是却没有很强的拓扑特性。换句话说，强拓扑材料仅构成局域化国家的巨大分类中的一类。其中有电子状态，可以免受小扰动，但不如强拓扑状态强。例如，可以通过稍微改变混入晶体中的杂质来使其正常。在2018年的一项研究3中，Vishwanath团队将其称为脆弱的拓扑现象。

扭曲的发现

起初，物理学家不确定脆弱的拓扑结构是否重要，但是在2018年3月一个令人惊讶的发现之后，情况发生了变化。物理学家[5,6]揭示，当石墨烯的两个堆叠层（单原子厚的碳形式）在特定的“斜角”处未对准时，便具有超导性，并以零电阻运送电能。Vishwanath等人很快计算出，这种扭曲的石墨烯中的某些电子态显示出脆弱的拓扑。那是“惊人的”？维斯瓦纳斯说。曾经以为这没有用。然后是一笔大买卖。

到目前为止，尚不清楚易碎状态是否实际上在使扭曲石墨烯超导中起作用。尽管强大的拓扑以已知的，可衡量的方式表现出来，但脆弱的拓扑可能更微妙。

一些物理学家说，脆弱的拓扑仍然会影响材料的行为，因为它比强拓扑更普遍。研究表明，大约四分之一的材料是高度拓扑的。但是，物理学家在5月发布在arXiv信息库1中的预印本中，发现几乎所有材料都具有处于脆弱拓扑状态的某些电子。他们在已知晶体的数据库中系统地搜索了易碎的拓扑，并找到了成千上万个这种现象的例子。新泽西普林斯顿大学的理论物理学家，该论文的主要作者安德烈·伯恩维格（Andrei Bernevig）说：“考虑到脆弱的拓扑结构，似乎每种材料基本上都具有某种拓扑结构。”

现在，出现了脆弱的拓扑结构的第一个实验提示。6月在《自然》杂志上进行的一项研究发现了石墨烯的非扭曲双层中易碎拓扑的证据。由加州大学圣塔芭芭拉分校的约书亚岛（Joshua Island）领导的研究人员试图制造一种基于石墨烯的强拓扑绝缘体，该绝缘体可用于在未来的拓扑量子计算机中存储信息。他们将石墨烯夹在另一种2D材料（二硒化钨）之间，并施加了电场。随着电场的变化，他们记录了电子在器件边缘移动的情况，这在拓扑绝缘子中是预期的。Island说：“我们看到了这个新阶段，那么我们就在努力弄清它是什么。”