如果我们能找到一种方法让电流流动而不损失能量，那会怎样?一种有前途的方法是使用拓扑绝缘体材料。已知它们存在于一维(线)、二维(片)和三维(立方体)中;它们在电子设备中都有不同的可能应用。

乌得勒支大学的理论物理学家与上海交通大学的实验物理学家共同发现，拓扑绝缘体也可能存在于1.58维空间中，可用于节能信息处理。他们的研究发表在《自然物理学》上。

传统的比特，即计算机作的单位，是基于电流的：电子运行表示1，无电子运行表示0。利用0和1的组合，可以制造出日常生活中使用的所有设备，从手机到计算机。然而，在运行时，这些电子会遇到材料中的缺陷和杂质，从而损失能量。这就是设备变热时发生的情况：能量会转化为热量，因此电池会更快耗尽。

物质的新状态

拓扑绝缘体是一种特殊的材料，它允许电流流动而不会损失能量。它们直到1980年才被发现，并因此获得了诺贝尔奖。它揭示了一种新的物质状态：在内部，拓扑绝缘体是绝缘的，而在它们的边界上，有电流流动。

这使得它们非常适合应用于量子技术，并可以大大减少世界能源消耗。但有一个问题：这些特性只有在非常强的磁场和非常低的温度下才会被发现，大约零下270摄氏度，这使得它们不适合在日常生活中使用。

在过去的几十年里，人们在克服这些限制方面取得了重大进展。2017年，研究人员发现，二维单原子厚的铋层在室温下无需磁场即可表现出所有正确的特性。这一进步使拓扑绝缘体在电子设备中的使用更接近现实。

罗马花椰菜

在QuMAT联盟中，来自乌得勒支大学的理论物理学家与上海交通大学的研究人员现已证明，许多没有能量损失的状态可能存在于一维和二维之间的某个地方。例如，在1.58维。

1.58维可能难以想象，但这个想法比你想象的更熟悉。这种维度可以在分形结构中找到，例如你的肺、大脑中的神经元网络或罗马花椰菜。它们是以不同于普通物体的方式缩放的结构，称为“自相似结构”：如果你放大，你会一次又一次地看到相同的结构。

两全其美

通过在半导体(锑化铟)上生长化学元素(铋)，中国科学家获得了在改变生长条件时自发形成的分形结构。乌得勒支的科学家随后从理论上证明了，从这些结构中出现了零维角模式和无损一维边缘状态。

“通过观察维度之间的差异，我们发现了两个世界中最好的一个，”领导乌得勒支大学理论研究的克里斯蒂安·莫莱斯·史密斯(CristianeMoraisSmith)说。

“分形在有限能量下表现得像二维拓扑绝缘体，同时在零能量下，其角落表现出一种状态，可以用作量子比特，即量子计算机的基石。因此，这一发现为人们长期期望的量子比特开辟了新途径。”

直觉

有趣的是，这一发现是直觉的结果。“当我参观上海交通大学并看到该团队制作的结构时，我非常兴奋，”莫莱斯·史密斯说。

“我的直觉告诉我，这些结构应该具有所有正确的特性。”然后她回到乌得勒支，与她的学生讨论了这个问题，学生们对计算非常感兴趣。与硕士生罗伯特·卡尼耶拉斯(RobertCanyellas)、她以前的博士候选人罗德里戈·阿鲁卡(RodrigoArouca)(现在在乌普萨拉大学)和现任博士候选人卢门·埃克(LumenEek)一起，理论团队设法解释了实验并证实了新特性。

未知维度

在后续研究中，中国实验组将尝试在分形结构上生长超导体。这些分形有许多孔，其中许多孔周围有无损电流。这些可用于高效处理信息。

莫莱斯·史密斯表示，这些结构的角落还表现出零能量模式，从而结合了一维和二维世界的优点。

“如果这一方法可行，它可能会揭示隐藏在1.58维空间中的更多意想不到的秘密，”她说，“分形的拓扑特征确实展示了进入未知维度的丰富性。