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卧龙岗大学领导的一项合作研究证实了新一代超低能量“拓扑电子学”的开关机制 。 基于新型量子拓扑材料 ， 此类设备将拓扑绝缘体从非导电状态“切换”到导电状态 ， 从而电流可以沿着其边缘状态流动而不会浪费能量 。 这种拓扑电子可以从根本上减少计算和电子设备的能源消耗 ， 估计消耗全球电力的 8% ， 并且每十年翻一番 。 二维拓扑绝缘体是用于拓扑量子电子器件的有前途的材料 ， 其中边缘状态传输可以由栅极感应电场控制 。 然而 ， 这种电场引起的拓扑转换的一个主要挑战是需要一个不切实际的大电场来关闭拓扑带隙 。
跨节点和跨学科的研究团队研究了电子特性的宽度依赖性 ， 以确认被称为 zigzag-Xene 纳米带的一类材料将满足操作的必要条件 ， 即：zigzag-Xene 纳米带中的自旋过滤手性边缘状态保持无间隙并防止反向散射在无间隙和有间隙边缘状态之间切换所需的阈值电压随着材料宽度的减小而降低 ， 没有任何基本下限 ， 无需大量带隙关闭和重新打开即可实现边缘状态之间的拓扑切换量子限制之字形-氙纳米带可能会促进超低能拓扑计算技术的进步 。 石墨烯是第一个被证实的原子薄材料 ， 一种排列在蜂窝晶格中的二维碳原子 。 现在 ， 正在研究类似的 IV 族和 V 族材料蜂窝板的拓扑和电子特性 ， 统称为 2D-Xenes 。
【拓扑电子学的“曲折”蓝图】
2D-Xenes是拓扑绝缘体 ， 也就是说 ， 在它们的内部是电绝缘的 ， 但在它们的边缘是导电的 ， 电子在不耗散任何能量的情况下传输 。 当 2D-Xene 片材被切割成终止于“之字形”边缘的窄带时 ， 称为 zigzag-Xene-nanoribbons ， 它保留了拓扑绝缘体的导电边缘模式特征 ， 这被认为保留了它们在没有电流的情况下承载电流的能力耗散 。 最近表明 ， 锯齿形-Xene-纳米带具有制造拓扑晶体管的潜力 ， 可以将开关能量降低四倍 。 保持边缘状态测量表明 ， Z 字形-Xene 纳米带中的自旋过滤手性边缘状态保持无间隙 ， 并防止产生阻力的后向散射 ， 即使在超窄带中存在有限的边缘间重叠这是由与本征带拓扑驱动的能量零模式交织的边缘状态驱动的 。
“量子限制之字形-氙-纳米带是一类特殊的拓扑绝缘材料 ， 其中块状样品的能隙随着宽度的减小而增加 ， 而边缘态传导即使宽度减小到准-一维 ， ”研究人员说 。 “受限的 zigzag-Xene-nanoribbons 的这一特性与其他二维拓扑绝缘材料形成鲜明对比 ， 在这些材料中 ， 受限效应也会在边缘状态中引起能隙 。 ”由于栅极引起的边缘间耦合的宽度和动量相关的可调性 ， 在无间隙和有间隙边缘状态之间切换所需的阈值电压随着材料宽度的减小而降低 ， 没有任何基本的下限 。
主要作者穆罕默德博士说：“超窄的锯齿形-Xene-纳米带可以在具有导电无间隙边缘状态的准一维拓扑金属和具有间隙边缘状态的普通绝缘体之间‘切换’ ， 只需稍微调整电压旋钮即可 。Nadeem. “电压旋钮的所需调整随着 zigzag-Xene-nanoribbons 宽度的减小而减小 ， 而较低的工作电压意味着该设备可以使用更少的能量 。 电压旋钮调整的减少是由于称为自旋轨道耦合的相对论量子效应 ， 并且与原始的锯齿形-Xene-纳米带形成鲜明对比 ， 后者是普通绝缘体 ， 所需的电压旋钮调整随着宽度的减小而增加 。 ”
当 zigzag-Xene 纳米带的宽度小于临界极限时 ， 可以在没有体带隙关闭和重新打开的情况下实现边缘状态之间的拓扑转换 。 这主要是由于对体带光谱的量子限制效应 ， 这会随着宽度的减小而增加非平凡体带隙 。 “这种行为是新的 ， 与二维拓扑绝缘体不同 ， 在二维拓扑绝缘体中 ， 总是需要带隙闭合和重新打开来改变拓扑状态 ， ”Michael Fuhrer 教授说 。 “更像是 2D 情况 ， 其中栅极电场切换边缘状态电导 ， 同时关闭和重新打开体带隙 。 ”“在存在自旋轨道耦合的情况下 ， 大间隙受限之字形-Xene-纳米带中的拓扑切换机制颠覆了在标准场效应晶体管分析中利用窄间隙和宽沟道材料降低阈值电压的普遍智慧 ， ”说王小林教授 。
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