维尔茨堡大学的物理学家劳伦斯·莫伦康（Laurens Molenkamp）教授在2007年首先通过实验观测到了拓扑绝缘体（topological insulator）——这是一种电流仅仅沿着材料表面和边缘流动，在材料内部则表现为绝缘体的特殊物质状态。这意味着人类对于微观世界的理解和控制达到了一个全新的高度。因此成就，莫伦康获得了多项荣誉，多年来也一直是诺贝尔物理学奖的热门人选之一。
目前利用先进技术，人类可以制造出各种新奇的材料。其中因为半导体材料特殊的能带特性，将不同的元素进行组合、掺杂等操作，就有可能在微观领域观测到各种奇异的物理学现象，发现新奇的物质状态。这不仅对于实验室的设备和清洁程度有极高的要求，也要求研究人员有丰富的经验和想象力。
莫伦康正在研究的拓扑超导体和马约拉纳粒子等奇异的物质态，都可能对人类的生活产生深远影响。如何进行突破性的实验？莫伦康接受了本刊专访。
莫伦康：通常我会画一些图。人们知道原子和电子层级——可以从这里开始。你只需要说明在凝聚态物质系统中，顺序并不总是相同的——这就意味着如果你在一个普通排序和倒置排序之间制造一个界面，它们不会直接对接。然后你可以说这些量子能级必须以某种方式连接起来，这就是拓扑表面（topological surface）的来源。我发现这至少对于有一定化学背景的人来说，是一种最简单的解释方式。对于外行人来说，你只需说这是一种非常特殊的材料，在它们的体内不能导电，但它们的表面却可以导电。
三联生活周刊：你的团队首次在实验中实现了量子自旋霍尔效应（quantum spin Hall effect）。在现实中观测到这种效应为什么尤其重要且困难？
莫伦康：找到一种可以被严格控制的材料，然后在这种自身能隙非常窄的材料中就会产生这种量子效应——需要的是能带反转（band inversion）。因此，有可能展示出这种效应的材料家族就是我们所说的窄能隙半导体（narrow gap semiconductors）。
这些窄能隙材料有着各种各样的传导性，这是由它们窄能隙的特点所决定的。比如说，通常这些材料会有些杂质，并且含有掺杂物。在窄能隙材料中这就意味着它的费米能级在带间波动。因此，想要在窄能隙材料的内部真正实现绝缘非常困难。而碲化汞（mercury telluride）是窄能隙材料中的一个例外。它的化学性质决定了自身很难被掺入杂质。这也就意味着，如果能使用合适的分子束外延（Molecular beam epitaxy，MBE）技术，就可以得到非常纯净的材料。
实际上这也意味着，如果你不使用一种叫作调制掺杂（modulation doping）的技巧，你就只能得到一种绝缘材料。之后如果将这种材料与具有正常能带顺序的其他材料相结合，就可以实现拓扑界面态——这样可以得到希望观测到的效应。
（注：量子自旋霍尔效应是拓扑绝缘体的特征，也是一种全新的物质状态。莫伦康在2007年的实验中利用碲化汞材料特殊的性质首次观测到了这种效应。）
莫伦康：我们需要开发出一种光刻技术，确保材料在生长出来时保持清洁度。要展示量子自旋霍尔效应，需要制造一个相对较小的样本，因此要有相应的光刻技术。
而且必须在不损害材料的情况下完成这个实验。碲化汞本身是非常纯净的，但是如果使它受热或者让它接触到一些离子，就会把汞原子剔除出去，最终使样品被掺杂。人们通常用这种方法制造一些相对较小的样本。但是在这个实验里不能这样做。
在2007年左右，我们开发出了第一个用于制造这些微米级样本的光刻技术。这对于真正观测到量子效应是非常必要的。实际上，我们一直在为开发出光刻技术而努力，因为这对于处理一些非常敏感的材料非常关键。现在有在室温下使用的湿化学技术，这比在2007年使用的技术要好得多。现在我们可以在更远的距离上观测到量子自旋霍尔效应。
三联生活周刊：斯坦福大学的张首晟首先提出了实现量子自旋霍尔效应的想法。他在2006年做出理论预测。之后你们在很短的时间内就完成了实验，并与张首晟合作在《科学》（Science）杂志发表论文。
莫伦康：张首晟的预测不仅仅是猜测。在论文里，他引用了一篇来自维尔茨堡大学的博士论文，描述碲化汞的能带结构。是我之前向他推荐了这篇论文。这个故事还可以追溯得更久远一些。大约在2005年，我两次在亚洲举办的会议上都遇到了张首晟，一次在韩国，一次是在新加坡。这些会议讨论的都是自旋轨道耦合问题。
之前查尔斯·凯恩（Charles Kane）和尤金·米尔（Eugene Mele）已经对一种特殊二维材料中的一维边缘通道效应做出预测——他们称之为量子自旋霍尔效应。而我从20世纪80年代起就很了解碲化汞的性质。我知道如果将这种具有能带反转的三维材料与具有正常能带结构的材料对接，就可以在这两种三维材料之间得到一个二维导电界面——这就是我们现在所称的三维拓扑绝缘体。人们早就理解了界面具有这样的特性，而实际上我们可以利用碲化汞实现这样的效用。我们还推导出描述这些材料的能带结构理论。
当关于量子自旋霍尔效应的预测出现时，我将它们联系起来。我知道在三维材料中可以出现这样的二维效应——那么当我有二维材料的时候，不就可以观测到一维效应吗？这就是我问张首晟的问题。
随后我向他推荐了这篇博士论文，其中描述了我们对碲化汞能带结构的建模。张首晟的研究团队证明，如果得到这种二维的材料，就可以得到一种一维的界面状态。张首晟的小组还展示了，可以写出一个简化的模型哈密顿量，与凯恩和米尔预测的效应相同。所以当他们在《科学》杂志发表关于预测量子自旋霍尔效应的论文时，我们已经为实验观测这种效应工作了半年时间——因为我们有持续的合作。
莫伦康：是的，那之前大约一年，我发给他那篇博士论文。论文是用德语写的。他很喜欢这一点，因为他在德国受过训练。那时他也有自己的研究小组，将这个能带结构转换成凯恩-米尔模型（Kane-Mele modle）——这就是我们合作的开始。在半年之后，我接到了他的电话。他告诉我说，“我有一个激动人心的消息”。
莫伦康：他是一个很好的朋友，我非常想念他。我并不清楚他究竟遇到了怎样的问题。他显然面对着很大的困难，并且当时正在接受治疗。这完全是突如其来的，突然之间他就不在了。我们的研究小组一直保持着非常好的关系。自从我们第一次接触以来，我们也一直积极合作。所以我（在听到消息之后）非常震惊。
三联生活周刊：我理解拓扑绝缘体的内部依然是绝缘体。那么拓扑绝缘体的内部和普通绝缘体有什么区别？在未来有没有可能实现在普通绝缘体和拓扑绝缘体之间进行开关转换？
莫伦康：这有可能实现。考虑到某些效应，实际上需要做的就是改变材料内部的能带排序。或许可以通过一些外部参数来做到这一点，比如磁场。已经有人展示了通过一个强磁场就可以改变能带反转。但这并不是什么了不起的成就，因为需要一个强磁场。
如果对材料施加应变，或许也可以达到目的。如果在一个压电材料上生长一个受应变的材料层，并且可以通过电场之类的东西来调节应变，可能会改变能带顺序。已经有人声称在材料层上施加强电场时观测到了类似的效应。所以可以考虑通过这类方式制造出一种开关。当然问题在于，打开和关闭总是在能带反转非常小的时候更容易，因为能带不需要移动太多。但是如果能带反转非常小，这样的效应同样也非常脆弱。大多数人研究的拓扑绝缘体具有较大的能带反转，因此想要实现打开和关闭的效应，需要一个强大的外部场。
莫伦康：我认为其中一个最有趣的应用，在于拓扑超导态（topological superconductivity）方面。这也是目前很多小组正在研究的内容。如果在拓扑绝缘体中引入超导态，就可以得到一种被称为“拓扑超导态”的特殊超导态。这种性质对于研发量子计算机非常重要，因为不需要对它进行太多的错误校正。但不幸的是，之前人们一直在错误的材料系统中研究这个项目——那是微软公司的课题。他们研究使用的材料本身并不是真正的拓扑绝缘体，但可以通过调节磁场使之成为拓扑绝缘体。
但通过这样的方式就会遇到我刚才提到的问题：通过这种方式获得的能带反转非常小。我发现他们在这些材料中使用磁场实现的能带反转是我们材料本身所具有的反转的万分之一。如果只能实现非常小（30微伏）的能带反转，那么材料对于其中的杂质就会非常敏感。这些材料本来就难以制造，因此一旦走上了这个方向，几乎肯定会观测到各种各样的杂质效应——这就是在微软的研究中发生的情况。在他们的拓扑超导体中，总会出现干扰，而这种干扰信号可以展示出类似于人们想要看到的效应。这样就很容易挑选出你想要的数据，而忽略其余的数据，然后声称这就是拓扑超导体。
所以现在我们以及其他一些研究小组在拓扑超导态方面做的工作，就是寻找真正明确的实验，可以在单一的样品上进行各种观察，然后找到存在拓扑超导态的明确证据。根据目前我所了解的情况，这（拓扑超导态）可能就是拓扑绝缘体最大的应用。至于利用外部场开启和关闭拓扑绝缘体，可能永远都无法做到完美。人们也很难找到合适的材料系统。
（注：拓扑超导态是一种全新的物质状态。不同于普通超导体，在拓扑超导体的表面存在约1纳米的无能隙金属态，在内部则是超导体。拓扑超导体被认为是制造量子计算机的理想材料。）
三联生活周刊：我们来谈谈所谓的“天使粒子”——马约拉纳粒子（Majorana particle）。你和其他几位物理学家2020年在《科学》杂志发表论文，声称没有发现马约拉纳粒子的证据。现在你还相信这种粒子的存在吗？
莫伦康：是的，这正是我所暗示的。我们正在拓扑超导体中寻找马约拉纳态存在的证据。当然现在我还不会透露我们正在做的实验，但我们已经发表了一篇论文。碲化汞并不是超导体，但如果能用碲化汞作为超导弱连接来制作约瑟夫森结（Josephson junction），当对这个约瑟夫森结施加电压时，就可以观测到约瑟夫森辐射——这是交流约瑟夫森效应。在我们的实验材料中，我们发现了非常清晰的证据，在半个超导能隙处存在辐射。这是一个非常强烈的迹象，表明在我们的实验中确实发生了拓扑超导态——当然这也有可能是人为错误。我们还在进行一些其他的实验去研究这种状态。所以说，我确实相信马约拉纳态的存在，但需要在一种强能带反转的材料中去寻找它。
（注：马约拉纳粒子是意大利物理学家埃托雷·马约拉纳在1937年假想出的一种粒子。它是其自身的反粒子。人们认为这种粒子有可能会以准粒子激发的形式存在于超导体中。）
莫伦康：我们花了很大精力来研究约瑟夫森结在高频领域的表现。有人认为可以通过光谱学研究发现马约拉纳态存在的证据。我们有一套全新的千兆赫兹光谱设备来研究我们的超导样品。
我们还在研究拓扑绝缘体在热电方面的性质。这非常有趣，可以研究马约拉纳费米子，可以做超导态，还可以研究各种热效应。同样，这些研究都可以在二维和三维状态中进行。由于拓扑表面态的手征性或螺旋性，可以发现各种有趣的效应。
我们还在认真研究如何清洁约瑟夫森结——这是非常重要的。现在我们使用湿蚀刻方法来处理材料。所以我们为了超导实验用湿蚀刻法制作了一个小型的台面。这本身就不是一件容易的事情，因为湿蚀刻法制造出的结构都相对较大。然后我们还要在不损坏碲化汞的情况下尽可能去清洁这个界面。这也意味着要保持样品冷却，避免任何的高能量过程。每一次我们改进光刻技术，都能在约瑟夫森结中看到非常清晰的物理现。
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