【创科广场】拓扑绝缘体研究突破 中大发现新自由度

中大工程学院研究团队宣布，在纳米机械拓扑绝缘体中发现了新自由度，有机会开拓新型电脑晶片研究方向。

 

根据摩尔定律，处理器电晶体数量，每18个月增一倍，功耗也增加一倍；摩尔定律樽颈就是晶片的功耗，以矽作为材料的晶片，处理器消耗功率，约有二成浪费在晶体管栅极漏电，处理器电晶体栅极宽度越短，漏电更严重，原因是电晶体过于集中，产生量子隧穿效应，电子像塞车一样发生碰撞，产生了漏电。晶片解决漏电的各种手段，已走到物理学的极限。

 

　　如果电子能像汽车，只要晶片变成了高速公路，限制电子运动只在特定「车道」上行驶，各有各自开车规律，就可实现超高速的处理器，同时减少能耗。晶片要变身电子的超级公路，先须基础科学探索新原理和材料。

 

　　拓扑绝缘体就是基于量子力量的理论成果，最有希望可开发出下一代半导体的新材料，关键在于「量子霍尔效应」（Quantum Hall Effect）近年的突破，物理学界曾因「量子霍尔效应」研究，连续出现了两个诺贝尔奖。

 

　　2010年，中科院物理所的方忠、戴希团队，与张首晟提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓扑绝缘体，为实现量子反常霍尔效应最佳体系。近年，中国科学家曹原亦在「魔角扭曲双层石墨烯」也发现了量子反常霍尔效应。

 

　　一般绝缘体表面镀一层金属导电，随着时间日久，涂层侵蚀受损，导电性能消失。拓扑绝缘体表面态导电，即使如何受到环境腐蚀，表面再产生导电新表层。拓扑绝缘体的内部是绝缘体，边界或表面却存在导电的边缘态。材料内部电子围绕着晶格运动，同时也自身高速旋转，两种运动模式，分别对应了电子轨道和自旋两种属性，可建立电子的高速公路。

 

　　拓扑绝缘体可开发低耗电晶片，中大电子工程学系的孙贤开教授团队，最近在纳米机械的拓扑绝缘体，再发现一个新的自由度，首次掌握晶片上对拓扑相的灵活操控，为未来制造新晶片提供重要基础，结果刊载在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。

 

传统的拓扑绝缘体研究，正如张首晟等人，大多集中于研究电子自旋自由度的操控，鲜有关于电子轨道自由度研究。因为传统拓扑绝缘体中的电子，往往只沿着固定轨道运动。

 

奠定下代晶片基础

 

　　中大团队取得的突破，是实验上首次发现具有轨道自由度的拓扑绝缘体，可用来构建具有任意轨道的拓扑绝缘体，可用于光学和声学平台上，实现具有不同轨道的拓扑相之间的平稳转化。

 

　　因此，上述发现可实现许多具有非传统功能的奇异拓扑器件，如能够自动绕过障碍而不产生反射的波导，亦可用于高灵敏度传感器的谐振腔，推动大规模拓扑集成回路的发展，扩展拓扑绝缘体灵活度，为制作新一代电脑晶片奠下基础。

 

　　孙贤开表示：「是次研究在纳米机械平台上成功地实现了拓扑绝缘体，这一概念亦可以拓展到光学和声学领域，用于抗背散射或背反射的讯号传输，对构建无讯号串扰的大规模集成电子、光子和声子回路尤为重要。研究成果对用于下一代互联网的光通讯系统以及下一代电脑的纳米晶片，将带来深远影响。」