电子在固体中占有被间隙隔开的不同能带，能带间隙是电子的“禁区”，即是一种对电子关闭、不允许有电子存在的能量范围。

现在，研究含铁、碲和硒的化合物的科学家发现，这个能带间隙在这种材料表面上两个能带的相交处打开允许电子存在。他们在冷却材料并用激光探测其电子结构时，观察到了这种不寻常的电子行为。他们的发现发表在《美国国家科学院院刊》上，将会对未来的量子信息科学和电子学产生影响。

该特定化合物属于铁基高温超导体家族，该家族最早发现于年。这些材料不仅在比其他类别的超导体更高的温度下（但仍然非常冷）在没有电阻的情况下导电，但也显示出磁性。

论文第一作者、美国布鲁克海文国家实验室冷凝物质物理和材料科学（CMPMS）电子光谱学小组的科学家、纳德·扎基（NaderZaki）说：“有一阵子，人们认为超导和磁场会相互影响。”“我们已经探索了两种可以同时予以开发的材料。”

除了超导性和磁性外，某些铁基超导体还具有承载“拓扑”表面状态的理想条件，这些独特的电子态存在于表面，它们不存在于大部分材料中，反映了电子的自旋与其围绕原子核的轨道运动之间的强相互作用。

论文作者之一、电子光谱小组负责人彼得·约翰逊（PeterD.Johnson）说：“当您拥有具有拓扑表面特性的超导体时，您会对拓扑超导的可能性感到兴奋。”“拓扑超导性有可能支持马约拉纳费米子，它可以用作量子位元的量子存储的基础。”

量子计算机有望大大加快计算速度，但实现实用量子计算的挑战之一是量子位对其环境高度敏感，微小的相互作用会导致它们失去其量子态，从而丢失存储的信息。理论预测，存在于超导拓扑表面态中的所寻求的马约拉那费米子的准粒子不受环境干扰，使其成为量子位的理想平台。研究人员将铁基超导体视为各种奇特现象和潜在重要现象的平台，着手了解拓扑、超导和磁性的作用。

论文作者、实验室冷凝物质物理和材料科学部门高级物理学家、顾根达（GendaGu，音译）首先生长了铁基化合物的高质量单晶。然后，扎基通过基于激光的光发射光谱法绘制了材料的电子能带结构图。当来自激光的光聚焦到材料上的一个小点上时，来自表面的电子被“踢出”（即光发射）。然后可以测量这些电子的能量和动量。当降低温度时，令人惊讶的事情发生了。

扎基说：“材料如我们所料想的超导了，我们看到了与此有关的超导间隙。”“但是我们没想到的是，拓扑表面状态在狄拉克点处打开了第二个间隙。您可以将这种表面状态的能带结构，想象成沙漏或在其顶点处连接的两个圆锥体。这些圆锥体相交的位置称为狄拉克点（Diracpoint）。”

如图所示拓扑表面状态及狄拉克点，在顶部圆锥体和相应底部圆锥体的顶点之间具有能带隙，该能带隙为禁止电子的允许的能带、或电子具有的能量范围。拓扑表面状态是唯一的电子状态，仅存在于材料的表面，反映电子的自旋（红色箭头）与其围绕原子核的轨道运动之间的强相互作用。当电子自旋彼此平行排列时，该材料具有一种铁磁性。

正如研究人员所解释的那样，当在狄拉克点上出现缝隙时，有证据表明时间反转对称性已被打破。时间反向对称性意味着，无论您查看的是系统向前还是向后的时间，物理定律都是相同的，就像倒带视频看到相同事件顺序的反向播放。但是在时间逆转下，电子自旋改变了它们的方向并打破了这种对称性。因此，打破时间反转对称性的一种方法是发展磁性，特别是铁磁性的磁性类型，其中所有电子自旋均平行排列。

约翰逊说：“系统正在进入超导状态，看似磁性在发展。”“我们必须假设磁性存在于表面区域。这种发现是令人兴奋的，因为该材料具有许多不同的物理性质：超导性、拓扑结构、和所观察到的磁性。我喜欢说这像是‘一站式购物’。了解这些现象如何在材料中产生，可以为许多新的令人兴奋的技术方向奠定基础。”

该材料的超导性和强大的自旋轨道效应可用于量子信息技术，或者材料的磁性和强大的自旋轨道相互作用，可以实现电子中电流无能量损失的无耗散传输，可以利用此功能来开发功耗低的电子设备。

论文共同作者、加州大学圣地亚哥分校物理教授、吴聪俊（CongjunWu，音译）提供了关于时间逆转对称性如何破裂，以及磁场表面区域是如何产生的理论见解。

研究人员说：“这一发现不仅揭示了拓扑超导状态与自发磁化之间的深层联系，而且还为铁基超导体中超导间隙函数的性质提供了重要的见解，这是研究强相关非常规超导体中的一个突出问题。”

约翰逊表示说：“作为材料科学家，我们喜欢改变混合物中的成分，看看会发生什么。”“目标是弄清楚超导性、拓扑和磁性在这些复杂材料中是如何相互作用的。”

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