作為2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“得主”，拓?fù)浣^緣體的命名源于其內(nèi)部絕緣、外部導(dǎo)電的特點(diǎn)。

自從一類(lèi)被稱(chēng)為拓?fù)浣^緣體(Topological Insulator)的新材料誕生以來(lái)，研究人員就對(duì)其在超低能量晶體管、癌癥掃描激光器和高于5G代次的自由空間通信等電子應(yīng)用上的可能性興趣陡增。

一般來(lái)說(shuō)，按照導(dǎo)電性質(zhì)的不同，材料可分為“導(dǎo)體”和“絕緣體”兩大類(lèi)。而拓?fù)浣^緣體是一種內(nèi)部絕緣，界面允許電荷移動(dòng)的材料。在拓?fù)浣^緣體的內(nèi)部，電子能帶結(jié)構(gòu)和常規(guī)的絕緣體相似，在拓?fù)浣^緣體的表面存在一些特殊的量子態(tài)，這些量子態(tài)位于塊體能帶結(jié)構(gòu)的帶隙之中，從而允許導(dǎo)電。

更令人驚訝的是，拓?fù)浣^緣體似乎只是可能產(chǎn)生的奇異電和光學(xué)半金屬、超導(dǎo)體和其他形式的物質(zhì)中的第一個(gè)。盡管這些奇怪的、有時(shí)是離奇的化合物目前可能令人困惑，但研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些材料可以擁有特殊的屬性，可以發(fā)展成為未來(lái)的技術(shù)。

作為數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，拓?fù)鋵W(xué)是研究幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)的學(xué)科。

在拓?fù)鋵W(xué)里不討論兩個(gè)圖形全等的概念，但是討論拓?fù)涞葍r(jià)的概念。比如，圓和方形、三角形的形狀、大小不同，但在拓?fù)渥儞Q下，它們都是等價(jià)圖形；足球和橄欖球，也是等價(jià)的----從拓?fù)鋵W(xué)的角度看，它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是完全一樣的。

而游泳圈的表面和足球的表面則有不同的拓?fù)湫再|(zhì)，比如游泳圈中間有個(gè)“洞”。在拓?fù)鋵W(xué)中，足球所代表的空間叫做球面，游泳圈所代表的空間叫環(huán)面，球面和環(huán)面是“不同”的空間。

借助拓?fù)鋵W(xué)，研究人員在2007年開(kāi)發(fā)了第一個(gè)電子拓?fù)浣^緣體。沿著這些材料的邊緣或表面快速移動(dòng)的電子受到“拓?fù)浔Ｗo(hù)”，這意味著電子流動(dòng)的模式在面對(duì)它們可能遇到的任何干擾時(shí)將保持不變。

而在未來(lái)，拓?fù)洳牧细怯锌赡苌羁逃绊戨娮雍凸庾訉W(xué)的發(fā)展！

▍電子拓?fù)浣^緣體

澳大利亞的科學(xué)家們提出，基于電子拓?fù)浣^緣體的晶體管可以幫助計(jì)算機(jī)節(jié)省大量的能源。墨爾本莫納什大學(xué)的物理學(xué)家Michael Fuhrer說(shuō)：“我們預(yù)計(jì)拓?fù)渚w管可以取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶體管，在相同體積下，拓?fù)渚w管使用的能量要少得多?！?/p>

眾所周知，為了將數(shù)據(jù)表示為1和0，需要在一種電態(tài)和另一種電態(tài)之間切換晶體管，而這種切換需要最低限度的電壓。

于是，研究人員探索了用電子拓?fù)浣^緣體取代用于制造晶體管的傳統(tǒng)半導(dǎo)體。當(dāng)這些材料像它們通常那樣表現(xiàn)時(shí)，它們的導(dǎo)電邊緣可以作為晶體管的“開(kāi)啟”狀態(tài)發(fā)揮作用。但當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，它們就不再像電子拓?fù)浣^緣體那樣起作用，因此不再具有導(dǎo)電邊緣，從而成為晶體管的“關(guān)閉”狀態(tài)。

通過(guò)使用合適的拓?fù)洳牧?#xff0c;科學(xué)家們計(jì)算出，拓?fù)渚w管可以只消耗標(biāo)準(zhǔn)晶體管的一半電壓和四分之一的能量。Fuhrer說(shuō)：“今天的計(jì)算機(jī)使用了世界電力的8%到10%，并且每十年翻一番。所以我們需要一種新的技術(shù)來(lái)使計(jì)算機(jī)芯片更有效率，拓?fù)渚w管可以做到這一點(diǎn)。”

落實(shí)到工業(yè)生產(chǎn)上，拓?fù)渚w管的一個(gè)可能的候選者是鉍烯(Bismuthene)，這是一種以蜂窩狀晶格排列的單層鉍原子。Fuhrer說(shuō)：“這項(xiàng)工作需要大量的時(shí)間，也許會(huì)超過(guò)十年以上?！?/p>

鉍烯

▍光子拓?fù)浣^緣體

2009年，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了光子拓?fù)浣^緣體，其中的光同樣受到“拓?fù)浔Ｗo(hù)”。這些材料的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致特定波長(zhǎng)的光沿其外表面流動(dòng)，甚至在拐角和缺陷處也沒(méi)有損失或散射。

而與電子拓?fù)浣^緣體相比，第一個(gè)找到實(shí)際用途的拓?fù)浣^緣體事實(shí)上也可能是光子。其中一個(gè)潛在的應(yīng)用是包含拓?fù)浔Ｗo(hù)的激光器，它可能顯示出比傳統(tǒng)設(shè)備更好的效率和對(duì)缺陷的魯棒性。

新加坡南洋理工大學(xué)的科學(xué)家們就從一種由砷化鎵和砷化鋁層組成的晶圓開(kāi)始。當(dāng)帶電時(shí)，該晶圓會(huì)發(fā)出明亮的光。研究人員在晶圓上鉆了一排孔，每個(gè)孔都像一個(gè)修剪了邊角的等邊三角形。在這個(gè)晶格周?chē)?#xff0c;研究人員又鉆了一些形狀相同但方向相反的孔。來(lái)自晶圓的光沿著不同孔組之間的邊界流動(dòng)，并作為激光束從附近的通道出現(xiàn)。

事實(shí)證明，這種流動(dòng)應(yīng)對(duì)缺陷(包括科學(xué)家們鉆的額外的孔)十分有效。王岐捷教授說(shuō)："我們能夠創(chuàng)建光子結(jié)構(gòu)，使光能夠通過(guò)而沒(méi)有散射損失或反射。

據(jù)介紹，這種激光器在太赫茲(THz)頻率下工作，可用于癌癥篩查和機(jī)場(chǎng)安全掃描。王岐捷教授和他的同事們目前正在探索使用夾在一起的砷化鎵銦和砷化鋁銦層的拓?fù)浼す馄?#xff0c;以發(fā)射中紅外波長(zhǎng)，對(duì)探測(cè)和分析空氣污染物、激光雷達(dá)傳感器或高于5G代次的自由空間通信等應(yīng)用非常有用。

▍拓?fù)涑瑢?dǎo)體

雖然拓?fù)浣^緣體在其外部擁有受拓?fù)浔Ｗo(hù)的電子或光子，但被稱(chēng)為拓?fù)涑瑢?dǎo)體的一類(lèi)不尋常的超導(dǎo)體可能在其表面擁有難以捉摸的理論粒子，這可能推動(dòng)量子計(jì)算的重大進(jìn)步。

拓?fù)涑瑢?dǎo)體通常是由超導(dǎo)金屬與半導(dǎo)體耦合而成。這些材料之間的相互作用可以產(chǎn)生馬約拉納費(fèi)米子(Majorana fermions)，一種反粒子就是它本身的費(fèi)米子。

馬約拉納費(fèi)米子可以被用作量子比特(Qubit)，量子比特是大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)的核心，理論上，這種計(jì)算機(jī)一瞬間的計(jì)算量比宇宙中的原子還要多。

傳統(tǒng)上，量子比特通常是脆弱的，但拓?fù)涑瑢?dǎo)體的馬約拉納費(fèi)米子可以對(duì)干擾進(jìn)行拓?fù)浔Ｗo(hù)，科學(xué)家們認(rèn)為這一特點(diǎn)可以催生出實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。馬里蘭大學(xué)帕克分校的凝聚態(tài)物質(zhì)理論家Ruixing Zhang說(shuō)：“拓?fù)淞孔颖忍厥侨藗儗?duì)拓?fù)涑瑢?dǎo)感興趣的最重要原因。”

然而，到目前為止，還沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)于拓?fù)涑瑢?dǎo)體或馬約拉納費(fèi)米子存在的結(jié)論性證據(jù)。2018年微軟支持的一項(xiàng)研究聲稱(chēng)發(fā)現(xiàn)了兩者的有力證據(jù)，但這項(xiàng)工作最終在2021年被撤回。

盡管如此，研究人員仍對(duì)確認(rèn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體的存在抱有希望。張和他的同事建議研究鐵基超導(dǎo)體的薄膜，而其他人則建議研究石墨烯等材料。

▍拓?fù)浒虢饘?/p>

就其導(dǎo)電或?qū)崮芰Φ忍匦远?#xff0c;拓?fù)浒虢饘傥挥诮饘俸徒^緣體之間。世界各地的科學(xué)家越來(lái)越多地發(fā)現(xiàn)，這些材料可以擁有非凡的特性，如幾乎無(wú)耗散的電流，以及比其他任何材料都能將更多的光轉(zhuǎn)化為電的能力，這暗示其存在廣泛的潛在應(yīng)用，如超低功率電子器件和利用廢熱發(fā)電。

現(xiàn)今，世界上存在著各種拓?fù)浒虢饘?#xff0c;如狄拉克半金屬(Dirac semimetal)、韋爾半金屬(Weyl semimetal)、多重費(fèi)米子半金屬等等，每一種都在拓?fù)鋵W(xué)上與其他的不同。傳統(tǒng)的半金屬可以隨著溫度的變化或其化學(xué)組成的輕微調(diào)整而輕易地轉(zhuǎn)換為金屬或絕緣體，而拓?fù)浒虢饘賱t頑固地保持其半金屬性質(zhì)。

東京工業(yè)大學(xué)的物理學(xué)家Masaki Uchida說(shuō)，就像石墨烯一樣，電流可以在拓?fù)浒虢饘僦辛鲃?dòng)，而能量耗散幾乎為零，這使得它們有可能用于超低功率的電子產(chǎn)品。新加坡科技大學(xué)的物理學(xué)家Yee Sin Ang說(shuō)，與此同時(shí)，研究人員可以在理論上改變拓?fù)浒虢饘俚暮穸葋?lái)調(diào)整它們的特性，而石墨烯的厚度是有限的，因此設(shè)計(jì)的靈活性較差。

此外，拓?fù)浒虢饘僖部梢燥@示出意想不到的特性，例如，波士頓學(xué)院的物理學(xué)家Ken Burch和他的同事發(fā)現(xiàn)，砷化鉭可以從光中產(chǎn)生比其他材料多10倍以上的內(nèi)在電流。

這種效應(yīng)發(fā)生在中紅外光下，這表明砷化鉭可以在化學(xué)和熱成像中找到用途。Burch說(shuō)：“你可以理解為把把從高溫物體上排放出來(lái)的廢棄紅外輻射轉(zhuǎn)化為有用的電能。”

幾十年來(lái)，科學(xué)家們可能忽略了許多拓?fù)浒虢饘俚娘@著特征。麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)家Benjamin Wieder就說(shuō)：“拓?fù)洳牧习l(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的未來(lái)可能不在于設(shè)計(jì)新材料，而在于重新發(fā)現(xiàn)具有被忽視特性的有趣材料?！?/p>

參考資料：https://spectrum.ieee.org/semiconductors/materials/a-beginners-guide-to-topological-materials

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的未来计算机相关资料,“诺奖级”材料！有望成为未来计算机和消费电子产品的“新基建”...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。