一种新型的拓扑晶体绝缘体：α-Bi4Br4的拓扑铰链模式

拓扑绝缘体是一类特殊的材料，它们的内部是绝缘的，但是它们的表面或边界却有导电的态。这些表面态是由拓扑性质保护的，它们不会被一些小的扰动或杂质所破坏。这些表面态有很多奇妙的性质，比如反常霍尔效应，量子自旋霍尔效应，或者是无反向散射的电流。这些性质为拓扑绝缘体在量子计算、量子信息或者是低耗能电子器件方面提供了巨大的潜力。

拓扑绝缘体还有更高维度的拓扑相，比如拓扑晶体绝缘体，它们的拓扑性质不仅依赖于动量空间的对称性，还依赖于实空间的晶体对称性。这意味着，拓扑晶体绝缘体的拓扑态不一定出现在表面，而是可以出现在更低维度的边界，比如边缘或者铰链。这些低维度的拓扑态被称为拓扑边缘模式或者拓扑铰链模式，它们也有一些非常有趣的性质，比如它们可以在不同的边界之间相互转换，或者是可以在铰链上形成零能量的束缚态。

那么，我们如何能够观察到这些拓扑铰链模式呢？有没有一种方法可以证明它们确实是由拓扑性质保护的呢？最近一篇发表在《自然物理学》的论文，在一种名为α-Bi4Br4的拓扑晶体绝缘体中发现了拓扑铰链模式，并且用一种非常巧妙的方法来测量它们的量子输运响应。他们发现了一种叫做阿哈隆诺夫-玻姆（Aharonov-Bohm）振荡的现象，它是一种量子干涉的效果，它可以证明拓扑铰链模式的存在和拓扑性质。

什么是阿哈隆诺夫-玻姆振荡？

阿哈隆诺夫-玻姆振荡是一种非常有趣的量子现象，它是由两位物理学家阿哈隆诺夫和玻姆在1959年提出的。它的基本思想是这样的：如果你有一个闭合的金属环，然后你在环的中心放一个磁体，那么你会在环上产生一个磁通。这个磁通会影响环上的电子，因为电子有一个叫做相位的量，它是电子波函数的一个参数，它决定了电子的干涉性质。如果你改变磁通，你就会改变电子的相位，从而改变电子的干涉模式。这就是阿哈隆诺夫-玻姆效应的本质。

那么，这个效应如何产生振荡呢？这是因为，当你改变磁通的时候，你会改变环上的电子的相位差。这个相位差会影响环上的电子的输运性质，比如电阻或者电导。当相位差是2π的整数倍的时候，电子的干涉是完全相干的，也就是说，电子的波函数是相加的，这时候电阻或者电导会达到极值。当相位差是2π的奇数分之一的时候，电子的干涉是完全相消的，也就是说，电子的波函数是相减的，这时候电阻或者电导会达到另一个极值。所以，当你改变磁通的时候，你会看到电阻或者电导随着磁通的变化而周期性地振荡，这就是阿哈隆诺夫-玻姆振荡。

论文结果

α-Bi4Br4是一种层状的拓扑晶体绝缘体，它的内部和表面都有能隙，但是它的铰链上有无能隙的拓扑铰链模式。他们把这种材料制成了一个小片，然后在不同的方向上加上一个磁场，测量了它的电阻率。他们发现，当磁场垂直于材料的层面时，电阻率会出现周期性的振荡，这些振荡的周期是h/e，其中h是普朗克常数，e是电子电荷。这些振荡就是阿哈伦诺夫-玻姆效应的结果，它们表明电子在材料的铰链上绕行一圈，然后发生了量子干涉。当磁场平行于材料的层面时，电阻率就不会出现振荡，因为这样就打破了镜面对称性，拓扑铰链模式就消失了。

这篇论文的主要贡献是首次在实验上证明了拓扑铰链模式的量子输运响应，它们既有拓扑的本质，又有量子的相干性。这种响应可以用来探索拓扑物理的新奇现象，也可以用来开发高效的拓扑电子器件。