拓扑材料首次开关:未来拓扑晶体管的关键进展| ARC未来低能电子技术卓越中心

该研究的作者(从左起)是莫纳什大学物理与天文学院的马克·埃德蒙兹博士、詹姆斯·柯林斯和迈克尔·福雷尔教授。

在过去的十年里，人们对两年前获得诺贝尔物理学奖的发现感到非常兴奋，发现有两种类型的绝缘体:不导电的普通绝缘体和拓扑绝缘体——新发现的材料只在其边缘导电。

现在，澳大利亚莫纳什大学的FLEET研究人员首次通过应用电场成功地在这两种物质状态之间“切换”了一种材料。这是创建功能的第一步拓扑晶体管-新一代超低能耗电子设备。

拓扑晶体管等超低能量电子产品将使计算技术继续发展，而不受现有能量的限制，因为传统硅基电子产品的可实现改进已经接近尾声(这一现象被称为摩尔定律的终结)。

研究作者Michael Fuhrer教授解释说:“超低能量拓扑电子技术是现代计算中能源浪费日益增加的挑战的潜在答案。”

“信息和通信技术(ICT)已经消耗了全球8%的电力，而且这一数字每十年就会翻一番。”

这项新研究是实现功能拓扑晶体管目标的重大进展。

拓扑绝缘体是一种新型材料，在其内部表现为电绝缘体，但可以沿其边缘携带电流。

“在这些边缘路径中，电子只能沿一个方向移动，”首席作者马克·埃德蒙兹博士解释说。“这意味着不可能有‘后向散射’，这是导致传统电导体电阻的原因。”

与传统的电导体不同，这种拓扑边缘路径可以携带电流能量耗散几乎为零这意味着拓扑晶体管比传统电子产品消耗的能量要少得多。他们也有可能更快地转换。

雷竞技苹果版拓扑材料将形成晶体管的有源“通道”组件，完成计算中使用的二进制操作，在开(0)和闭(1)之间切换。

Edmonds博士解释说:“这种新型开关的工作原理与当今计算机中的晶体管完全不同。”“我们设想这样的开关可以促进一种全新的计算技术，使用更低的能量。”

电场诱导了从“拓扑”绝缘体到传统绝缘体的量子跃迁。

要成为当前硅基技术(CMOS)的可行替代品，拓扑晶体管必须:

虽然理论上已经提出了可切换拓扑绝缘体，但这是实验首次证明材料可以在室温下切换，这对于任何可行的替代技术都是至关重要的。
(在这项研究中，实验是在低温下进行的，但测量到的大禁带隙证实了材料在室温下可以正常切换。)

Na_3.铋结构，白色为钠原子，蓝色为铋原子

材料Na_3.Bi是一种拓扑狄拉克半金属(TDS)，长期以来一直被认为是寻找拓扑场效应开关的有前景的系统，因为它们位于常规相和拓扑相之间的边界。

研究发现，当Na_3.铋被制成“原子薄”(即只有几层原子厚度)，有可能打开电子带隙，将材料变成绝缘体。这个带隙是任何电子开关的重要组成部分。

这项工作背后的首要挑战是信息和通信技术(ICT)中使用的能源越来越多，其中很大一部分是由交换驱动的。

晶体管每切换一次，就会消耗少量的能量，而随着数万亿个晶体管每秒切换数十亿次，这些能量就会累积起来。

CMOS电子器件的功率效率正在趋于稳定

多年来，越来越高效、越来越紧凑的CMOS(硅基)微芯片控制了指数级增长的计算所需要的能量，这一效应与著名的“摩尔定律”有关。但随着基本物理极限的接近，摩尔定律正在终结，未来的效率也有限。

Michael Fuhrer教授表示:“信息技术革命改善了我们的生活，我们希望它能继续下去。”

“但为了让计算继续发展，跟上不断变化的需求，我们需要更高效的电子产品。”

“我们需要一种新型晶体管，在开关时消耗更少的能量。”

“这一发现是向拓扑晶体管方向迈出的一步，可能会改变计算世界。”

FLEET研究人员使用扫描探针显微镜/光谱学(STM/STS)和角度分辨光电子能谱(ARPES)研究了Na3Bi的结构和电子状态。

这项研究超薄钠中电场调节的拓扑相变_3.Bi今天发表在《自然》杂志上。(DOI 10.1038 / s41586 - 018 - 0788 - 5)

研究作者詹姆斯·柯林斯来自加州的高级光源

设施Na_3.铋晶体生长和STM测量是在莫纳什大学FLEET实验室和加州先进光源(劳伦斯伯克利国家实验室)进行的，在那里进行了ARPES测量。在澳大利亚同步加速器的软x射线束线上也进行了研究。

确认这项研究是由澳大利亚研究理事会该校的卓越中心和DECRA奖学金项目，而前往伯克利的旅费则由该校资助澳大利亚同步加速器．

研究人员发现:

在没有电场的情况下，原子薄的钠_3.Bi是一种二维拓扑绝缘体，具有“体积”(即内部)带隙>300 meV(即表现为电绝缘体)，并且在边缘没有带隙(即只有边缘导电，并且它们导电不耗散)。
在一个关键的电场作用下，带隙在任何地方都接近于零，材料变成了像石墨烯一样的半金属(即，它在任何地方都导电——内部和边缘)。
在临界电场之上，带隙无处不在(达到90meV)，没有传导(内部和边缘)。

研究作者詹姆斯·柯林斯解释说:“这些大带隙比室温下可用的热能(25meV)要大得多。”由此可见，超薄的Na_3.Bi适用于室温拓扑晶体管的操作。

也就是说，这种材料能够在室温下进行无耗散的电荷传输。