这是一种独特的材料的故事——由单一化合物制成，它在不同的表面以不同的方式传导电子，而在其中间完全不传导。这也是三个研究小组的故事——两个在魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)，一个在德国，以及他们之间形成的独特纽带。
这种材料属于15年前发现的一组被称为拓扑绝缘体的材料。这些材料在其表面导电，在其内部“体”中绝缘。但这两种特性是不可分割的:切断材料后，新表面将会导电，本体将保持绝缘。
大约五年前，努里特·阿夫拉罕博士(Dr. Nurit Avraham)开始在该研究所凝聚态物理系的海姆·贝登科普夫博士(Dr. Haim Beidenkopf)的新团队担任科学家。大约在那个时候，她和贝登科普夫在严Binghai Yan教授第一次对魏茨曼研究所进行科学考察时遇到了他。当时，严是德累斯顿马普固体化学物理研究所(Max Planck Institute for Chemical Physics of solid)材料科学家克劳迪娅·费尔瑟(Claudia Felser)教授小组的初级组长，她的实验室正在开发新型拓扑材料。Beidenkopf和他的团队专注于在单原子和单电子路径的尺度上对这些材料进行分类和测量，而阎则转向理论——预测这些材料的行为，并建立数学模型来解释它们不寻常的行为。
阿夫拉罕和贝登科普夫对揭示一种特殊类型的拓扑绝缘子的特性很感兴趣，这种绝缘子的化学结构是分层的。这些层如何影响电子在材料表面传导的方式?理论上，二维拓扑绝缘子的多层叠加可以形成三维拓扑绝缘子，其中部分表面导电，部分表面绝缘。严建议他们用他预测的一种新材料进行研究，这种材料后来在费尔瑟的实验室得到了开发。很快，魏茨曼和马克斯·普朗克小组开始合作。
阿夫拉罕领导了这个项目，他从Felser的实验室获得了材料样本，进行了测量，并与严一起工作，看看这些理论的预测是否会在实验中诞生。随着合作的深入，Beidenkopf和Avraham得到了物理系的再次邀请，严最终决定离开德国，将家人搬到Rehovot，在研究所的凝聚态物理系任职。“那个决定是一个转折点，让我走上了现在的职业道路，”严说。
在接下来的几年里，Beidenkopf, Avraham, Yan和Felser将在多个研究项目上合作，探索几种不同类别拓扑材料的性质。但要了解这种特殊的物质——铋、碲和碘的化合物——将是一项长期的工程。首先，严分析了材料的能带结构——换句话说，电子“允许”占据的状态。当这些带在电子体中交叉时——即所谓的“带反转”——它们阻止电子在内部移动，但使电子能够在表面移动。这种状态的“投影”产生于材料的大块表面上，这是赋予拓扑材料特殊属性的原因。
阿夫拉罕和贝登科普夫研究的是被劈开的样本，将新鲜的表面从分层结构中暴露出来。他们在实验室中使用扫描隧道显微镜(STM)来跟踪材料不同部分的电子密度。该理论预测，表面测量将揭示出一种表现为弱拓扑绝缘体的材料，因此在边缘是金属的，在顶部和底部表面是绝缘的。弱拓扑绝缘体是一类拓扑材料，已经被预测过，但还没有通过实验证明，所以该小组希望能发现边缘表面的这种特性。研究人员确实发现，这种材料在其裂边充当了弱拓扑绝缘体。但在他们的样本的顶部和底部，研究小组发现证据表明，这是一个强大的拓扑绝缘体，而不是之前预测的绝缘体。
这种材料能不能同时绝缘和导电，而且能以两种不同的方式导电?随着研究人员继续实验，用不同的方法测试材料，并确认他们最初的结果，他们和严一起继续困惑奇怪的结果。阿夫拉罕说，他们甚至一度测量了德累斯顿科技大学(Universitaet Dresden)初级教授安娜·伊萨瓦(Anna Isaeva)和亚历山大·佐格纳(Alexander Zeugner)独立培养的一批新样本，只是为了确保结果是普遍的，而不是某一批样本的偶然特性。
严说，他们最终的突破部分来自于另一个物理小组发表的一篇理论研究论文，该论文推测了这种双重物质可能如何发挥作用。拓扑材料有时根据其对称性(材料原子结构的一种性质)来分类。科学家们在表面上寻找这种对称性会被破坏的地方，这些地方是由于表面上的缺陷或不规则，通过电子的散射，这些缺陷或不规则会影响该点的属性，并突出了“保护”每个拓扑状态的对称性类型。
最后，理论和实验结合在一起，发表在《自然材料》上的一篇文章表明，这种材料实际上是两种不同的拓扑绝缘体。裂缝的暴露层，侧面创造了“台阶边缘”，引导电子进入特定的路径。当侧边受到时间反转和平移对称的保护时，顶部和底部受到晶体镜像对称的保护，从而产生一种电子可以移动的类金属状态。
虽然这种二合一的组合使得对材料进行拓扑分类颇具挑战性——这是此类测量的主要目标之一——但研究人员相信，其他新的拓扑材料也可能具有这种双重属性。这使得工程材料有可能同时具有多种理想的电学特性。
严说:“从技术上讲，这项工作很有挑战性，但故事本身却很简单。”
“这也是一段伟大友谊的故事，以及当你能够进行如此密切的科学合作时会发生什么，”Avraham说。
“这一切都始于一个关于一种特殊材料的问题，”贝登科普夫补充道。
