2005年，凝聚态物理学家查尔斯凯恩和尤金梅勒考虑了石墨烯在低温下的命运。他们的工作导致了被称为“拓扑绝缘体”的物质新状态的发现，这将开启材料科学的新时代。

加州大学圣巴巴拉分校物理学助理教授Andrea Young说：“拓扑绝缘体是一种内部为绝缘体，但表面具有高导电性的材料。Young解释说，在二维空间中，理想的拓扑绝缘体在其边缘具有“弹道”电导，这意味着通过该区域的电子将遇到零电阻。

具有讽刺意味的是，尽管Kane和Mele的工作将导致各种材料中拓扑绝缘行为的发现，但他们最初对石墨烯中拓扑绝缘体的预测尚未实现。

问题的核心是自旋-轨道耦合——一种弱效应，其中电子的自旋与其核心的轨道运动相互作用。对于所有拓扑绝缘体来说，石墨烯中的自旋轨道耦合非常弱，因此任何拓扑绝缘行为都会被石墨烯支撑的表面产生的其他影响所淹没。

博士后研究员约书亚岛(Joshua Island)说：“石墨烯中微弱的自旋-轨道耦合是一个遗憾，因为实际上，对于二维拓扑绝缘体来说，事情并不那么好。”到目前为止，已知的二维拓扑绝缘体是无序的，不容易使用，”Island说。随着电子行进距离的增加，边缘处的电导趋于迅速降低，这表明它远离轨迹。拓扑绝缘体在石墨烯中实现，石墨烯是一种完美的二维材料，可以为低耗散弹道电路提供基础，或者形成拓扑保护量子比特的材料基底。

现在，在《自然，岛屿》杂志上发表的一本书里，杨和他们的合作者找到了一种将石墨烯转化为拓扑绝缘体(TI)的方法。“这个项目的目标是增加或增强石墨烯中的自旋轨道耦合，”第一作者Shima说，并补充说，多年来，它一直试图取得有限的成功。“一种方法是将一种自旋轨道耦合非常大的材料与石墨烯紧密接触。我希望通过这样做，你的石墨烯电子将具有底层材料的特征，”他解释说。

精选材料？在研究了几种可能性之后，研究人员研究了一种由过渡金属钨和硫族元素硒组成的过渡金属二硫化物(TMD)。与石墨烯类似，钨二硒化物以二维单层存在，通过范德华力结合在一起，这是原子或分子之间相对较弱且依赖距离的相互作用。然而，与石墨烯不同，TMD的较重原子导致更强的自旋轨道耦合。所得器件的特征是石墨烯的弹道电子电导，包括来自附近TMD层的强自旋轨道耦合。

“我们确实看到了旋转轨道之间耦合的非常明显的增强，”Island说。

“通过增加适当类型的自旋轨道耦合，约书亚可以发现，这实际上导致了一个几乎拓扑绝缘的新阶段，”Young说。他解释说，在最初的想法中，拓扑绝缘体由单层石墨烯和强自旋轨道耦合组成。

“我们必须使用仅在石墨烯多层中可用的技术来创建正确类型的自旋轨道耦合，”Young用石墨烯双层解释了他们的实验。"所以你会得到类似于两个拓扑绝缘体叠加的东西."然而，从功能上来说，Island器件和其他已知的二维拓扑绝缘体一样好——所有重要的边缘态至少传播几微米，比其他已知的TI材料长得多。

此外，根据Young的说法，这个工作距离是用石墨烯构建实际拓扑绝缘体的一个进步。“理论研究表明，以同样方式制造的石墨烯三层将形成真正的拓扑绝缘体。”

最重要的是，由Island和Young实现的器件可以很容易地在拓扑绝缘相和常规绝缘体之间进行调谐，而绝缘体不具有导电边缘状态。

“你可以把这些完美的指挥家安排在任何你想要的地方，”他说。“这是其他材料无法做到的。”