【創科廣場】拓撲絕緣體研究突破 中大發現新自由度

2021-08-03 09:12
中大工程學院研究團隊宣布,在納米機械拓撲絕緣體中發現了新自由度,有機會開拓新型電腦晶片研究方向。

 

根據摩爾定律,處理器電晶體數量,每18個月增一倍,功耗也增加一倍;摩爾定律樽頸就是晶片的功耗,以矽作為材料的晶片,處理器消耗功率,約有二成浪費在晶體管柵極漏電,處理器電晶體柵極寬度越短,漏電更嚴重,原因是電晶體過於集中,產生量子隧穿效應,電子像塞車一樣發生碰撞,產生了漏電。晶片解決漏電的各種手段,已走到物理學的極限。

 

  如果電子能像汽車,只要晶片變成了高速公路,限制電子運動只在特定「車道」上行駛,各有各自開車規律,就可實現超高速的處理器,同時減少能耗。晶片要變身電子的超級公路,先須基礎科學探索新原理和材料。

 

  拓撲絕緣體就是基於量子力量的理論成果,最有希望可開發出下一代半導體的新材料,關鍵在於「量子霍爾效應」(Quantum Hall Effect)近年的突破,物理學界曾因「量子霍爾效應」研究,連續出現了兩個諾貝爾獎。

 

  2010年,中科院物理所的方忠、戴希團隊,與張首晟提出Cr或Fe磁性離子摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓撲絕緣體,為實現量子反常霍爾效應最佳體系。近年,中國科學家曹原亦在「魔角扭曲雙層石墨烯」也發現了量子反常霍爾效應。

 

  一般絕緣體表面鍍一層金屬導電,隨着時間日久,塗層侵蝕受損,導電性能消失。拓撲絕緣體表面態導電,即使如何受到環境腐蝕,表面再產生導電新表層。拓撲絕緣體的內部是絕緣體,邊界或表面卻存在導電的邊緣態。材料內部電子圍繞着晶格運動,同時也自身高速旋轉,兩種運動模式,分別對應了電子軌道和自旋兩種屬性,可建立電子的高速公路。

 

  拓撲絕緣體可開發低耗電晶片,中大電子工程學系的孫賢開教授團隊,最近在納米機械的拓撲絕緣體,再發現一個新的自由度,首次掌握晶片上對拓撲相的靈活操控,為未來製造新晶片提供重要基礎,結果刊載在《自然納米技術》(Nature Nanotechnology)上。

 

傳統的拓撲絕緣體研究,正如張首晟等人,大多集中於研究電子自旋自由度的操控,鮮有關於電子軌道自由度研究。因為傳統拓撲絕緣體中的電子,往往只沿着固定軌道運動。

 

奠定下代晶片基礎

 

  中大團隊取得的突破,是實驗上首次發現具有軌道自由度的拓撲絕緣體,可用來構建具有任意軌道的拓撲絕緣體,可用於光學和聲學平台上,實現具有不同軌道的拓撲相之間的平穩轉化。

 

  因此,上述發現可實現許多具有非傳統功能的奇異拓撲器件,如能夠自動繞過障礙而不產生反射的波導,亦可用於高靈敏度傳感器的諧振腔,推動大規模拓撲集成迴路的發展,擴展拓撲絕緣體靈活度,為製作新一代電腦晶片奠下基礎。

 

  孫賢開表示:「是次研究在納米機械平台上成功地實現了拓撲絕緣體,這一概念亦可以拓展到光學和聲學領域,用於抗背散射或背反射的訊號傳輸,對構建無訊號串擾的大規模集成電子、光子和聲子迴路尤為重要。研究成果對用於下一代互聯網的光通訊系統以及下一代電腦的納米晶片,將帶來深遠影響。」

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