拓扑绝缘体材料有望成为硅替代品？

自从一种被称为拓扑绝缘体的新材料问世以来（这一发现帮助获得了 2016 年诺贝尔物理学奖），研究人员一直对其的电子应用的可能性很感兴趣，例如超低能晶体管、癌症扫描激光器和超越5G的自由空间通信。拓扑绝缘体的不寻常名称源于其内部绝缘和外部导电：在拓扑绝缘体的外边界上，电或（在某些情况下）光很容易绕过角落和缺陷，并且几乎没有损失。

令人惊讶的是，拓扑绝缘体似乎只是第一代奇异的电和光半金属、超导体和其他形式的物质。尽管这些奇怪的、有时甚至是古怪的化合物目前可能令人困惑，但研究人员发现这些材料具有特殊的特性，可以开发成未来的技术。

拓扑学是数学的一个分支，它探索与变形无关的形状的性质。例如，一个形状像甜甜圈的物体可以变形为杯子的形状，这样甜甜圈的孔就变成了杯子把手上的孔。然而，物体不可能在不改变成根本不同的形状的情况下失去洞。

研究人员利用拓扑学的见解，于 2007 年开发了第一个电子拓扑绝缘体。沿着这些材料的边缘或表面快速移动的电子受到“拓扑保护”，这意味着电子流动的模式将在面对任何干扰时保持不变可能会遇到。

拓扑材料如何进入未来的电子和光子学？以下是一些可能的路线。

电子拓扑绝缘体

澳大利亚科学家表示，基于电子拓扑绝缘体的晶体管可以帮助计算机节省大量能源。墨尔本莫纳什大学的物理学家 Michael Fuhrer 说：“我们预计拓扑晶体管可以取代传统的半导体晶体管，并且对于相同尺寸的晶体管使用更少的能量。”

为了将数据表示为 1 和 0，电子设备会在一种电状态和另一种电状态之间切换晶体管，这种切换需要最少量的电压。研究人员探索了用电子拓扑绝缘体代替用于制造晶体管的传统半导体。当这些材料表现正常时，它们的导电边缘可以充当晶体管的“导通”状态。但是当施加电场时，它们不再像电子拓扑绝缘体那样起作用，因此不再具有导电边缘，从而充当晶体管的“关断”状态。

通过使用正确的拓扑材料，科学家们计算出拓扑晶体管可以消耗标准晶体管的一半电压和四分之一的能量。“今天的计算使用了世界电力的 8% 到 10%，并且每十年翻一番，”Fuhrer说。“所以我们需要一种新技术来提高计算机芯片的效率。拓扑晶体管可以做到这一点。”

拓扑晶体管的一个可能候选者是铋，一种排列在蜂窝晶格中的单层铋原子。研究人员刚刚开始在实验室中研究铋，因此还没有将其制成晶体管。其他材料尚未合成。“这项工作需要很多时间，我们不希望我们设想的晶体管明年或什至在这十年内出现在你的 iPhone 中，”Fuhrer说。

光子拓扑绝缘体

2009年，科学家们开发出光子拓扑绝缘体，其中的光同样受到拓扑保护。这些材料的结构导致特定波长的光沿其外部流动而不会损失或散射，即使在拐角和缺陷周围也是如此。

第一个找到实际用途的拓扑绝缘体实际上可能是光子的，而不是电子的。一种可能的应用可能是包含拓扑保护的激光器，与传统设备相比，它可能显示出更好的效率和对缺陷的稳健性。这样的好处将提高数量和加工后使用的设备的一致性，新加坡南洋理工大学电学和光学工程师Qi Jie Wang说。

科学家们从由砷化镓和砷化铝镓层制成的芯片开始。当充电时，芯片发出明亮的光。研究人员在芯片上钻了一系列孔，每个孔都类似于一个四角被修剪掉的等边三角形。在这个格子周围，研究人员钻了额外的相同形状但方向相反的孔。

来自芯片的光沿着不同组孔之间的边界流动，并作为激光束从附近的通道发出。事实证明，这种制程可以抵御缺陷，包括科学家钻出的额外孔。“我们能够创造光可以通过而没有散射损失或反射的光子结构，”王说。

这种激光以太赫兹频率工作，这对于癌症筛查和机场安全扫描非常有用。王和他的同事目前正在探索使用夹在一起的铟镓砷和铟铝砷层来发射中红外波长的拓扑激光器，这对于检测和分析空气污染物、激光雷达传感器或 5G 以外的自由空间通信等应用非常有用。然而，他指出 COVID-19 大流行推迟了实验工作。

拓扑超导体

尽管拓扑绝缘体在其外部拥有受拓扑保护的电子或光子，但一类不寻常的被称为拓扑超导体的超导体可能在其表面拥有难以捉摸的理论粒子，可以推动量子计算的重大进步。

拓扑超导体通常由与半导体耦合的超导金属制成。这些材料之间的相互作用可以产生Majorana fermions，，这是它们自己的反粒子的长期理论粒子。

Majorana fermions，可以用作量子位或量子位，这是大多数量子计算机的核心——理论上可以在瞬间执行比宇宙中原子更多的计算的机器。量子比特通常是脆弱的，但拓扑超导体的Majorana fermions可以证明拓扑保护不受干扰，科学家认为这一特性可能会导致实用的量子计算机。“拓扑量子比特是人们对拓扑超导感兴趣的最重要原因，”马里兰大学帕克分校的凝聚态理论家张瑞兴说。

然而，到目前为止，还没有确凿的证据证明拓扑超导体或Majorana fermions的存在，张说。2018年微软支持的一项研究声称找到了这两者的有力证据，但这项工作最终在 2021 年被撤回。

尽管如此，研究人员仍对证实拓扑超导体的存在抱有希望。张和他的同事建议检查铁基超导体的薄膜，而其他人则建议使用石墨烯等材料。“我非常乐观，我们将在未来几年内实现Majorana物理学，”张说。

拓扑半金属

拓扑半金属就其导电或导热能力等特性而言，介于金属和绝缘体之间。世界各地的科学家越来越多地发现，这些材料具有非凡的特性，例如几乎无耗散的电流以及比任何其他材料都能够将更多的光转化为电能的能力，这暗示了广泛的潜在应用，例如超低电力电子设备和废热发电。

存在多种令人眼花缭乱的拓扑半金属，例如狄拉克半金属、外尔半金属、多重费米子半金属等，每一种在拓扑上都与其他半金属不同。传统半金属可以通过温度变化或化学成分的轻微调整轻松转化为金属或绝缘体，而拓扑半金属尽管温度或成分发生变化，但仍顽固地保持其半金属性质。

物理学家说，就像石墨烯，电流可以在拓扑半金属流几乎零耗能的，有可能使他们对超低功耗的电子有用的正木内田在东京工业大学。物理学家说，与此同时，研究人员可以在理论上有所不同拓扑半金属的厚度来调整自己的特性，而原子薄的石墨烯具有有限的厚度和设计的目的因此不太灵活。

拓扑半金属还可以显示出乎意料的特性，例如，在波士顿学院的物理学家肯伯奇和他的同事们发现，钽砷化可以本质上产生的10倍以上之多电流从光作为任何其它材料。这种效应发生在中红外光下，这表明砷化钽可用于化学和热成像。“你也可以想象将热物体作为废能发出的红外辐射转化为有用的电能，”伯奇说。

几十年来，科学家们可能忽视了许多拓扑半金属的显着特征。麻省理工学院的理论物理学家本杰明·维德（Benjamin Wieder）和他的同事最近刚刚在单硅化钴和类似材料中发现了这种特性 ，研究人员已经研究了近 70 年。

“拓扑材料发现和应用的未来可能不在于新材料的设计，而是。。。。。。重新发现具有被忽视特性的有趣材料，”Wieder说。“如果你知道去哪里找，下一个非常受欢迎的固态材料可能会藏在一张有70年历史的纸里。”

编辑：jq