手机发烫怎么办?拓扑绝缘体试一试

人民网2021-07-28

近日,北京大学物理学院量子材料科学中心杜瑞瑞合作团队首次观察到了自旋霍尔边界通道之间的库伦拖曳效应。自旋霍尔系统是一种二维拓扑绝缘体。这一发现表明拓扑绝缘体可以为基础研究提供良好的平台。那么究竟什么是拓扑绝缘体?它可以应用在哪些领域?

什么是拓扑绝缘体?

拓扑绝缘体是一种具有新奇量子特性的物质状态,其内部与人们通常认识的绝缘体——比如金刚石、陶瓷一样是绝缘的,但由于其电子态的拓扑性质,在边界或表面总是存在导电的边缘态,这正是拓扑绝缘体有别于普通绝缘体最独特的性质。

假想薛定谔的猫通过某种量子转移的方式进入了一个盒子里,再将盒子接通家用220V电压。可以预见,无论猫是在盒子表面站着,还是在盒子内部躺平,电流必然会顺着它的身体流过。但是,如果这个盒子是拓扑绝缘体,那么猫就可以选择在内部躺平并活下来。如果它仍然选择站在表面,那么就难逃命运安排。

电子技术革命的推动者

如今,计算机和手机已成为现代信息社会不可或缺的工具。从科学研究到日常工作,我们能享受它们带来的便利要得益于集成电路的出现。集成电路,或称芯片,是一种微型电子器件或部件,被称为“工业粮食”,是信息技术产业发展的核心。它的出现使得高性能、小体积、低成本的计算机和手机成为可能。

1965年,英特尔创始人之一戈登·摩尔提出被奉为“信息技术第一法则”的摩尔定律,核心内容是:集成电路上可容纳的元器件数目每18个月约翻1倍,性能也将提升一倍。半个世纪后的今天,摩尔定律却迎来挑战,即芯片的微型化不能够保证成本更低或速度更快。拓扑绝缘体的出现为摩尔定律“续命”提供了希望。

电流运动不受阻力、没有耗散是拓扑绝缘体的重要特征,能够很大程度上降低甚至解决计算机和手机运行时的发烫问题。

我们假想薛定谔的猫变成了一个电子。盒子在通电之后,猫就会沿着一个特定的通道从电源的正极向负极移动,这就是电子定向移动形成电流。对于拓扑绝缘体而言,电子只能在表面运动,且像风一样自由,不受束缚。所以能避免电流流过导体时受阻碍而产生热量,从而解决发烫问题。而且拓扑绝缘体的通道具有很高的稳定性和抗干扰能力,这一特征将大幅提升芯片的运行速度和存储能力。此外,无耗散、且内部绝缘可防止漏电这一特性可用来设计低功耗的硬件设备,大大降低生产成本,对传动计算机的进一步发展和量子计算机的出现起到了重要推动作用。

还可以用在哪些领域?

拓扑绝缘体的应用领域广泛,可以应用于扫描激光器、超越5G的自由空间通信、能量收集热电材料等。拓扑绝缘可以为其它基础科学研究,如自旋电子学、超导材料、半导体器件的探索等,提供良好的平台。此次在量子自旋霍尔系统中观察到的库仑拖曳现象,有别于普通的库伦拖曳现象,可进一步加深对量子基础的理解。库伦拖曳是介观电子系统中的一种量子效应,可以理解为:两只猫之间存在一种吸引力,当其中一只被推动跑了起来,另一只猫随之而动。

虽然拓扑材料的发展仍有很长的路要走,但理论和实验已经较为成熟。而能延续摩尔定律的拓扑绝缘体将有可能引发未来电子技术的新一轮革命,因为现在所研究的材料,可能正是未来计算机和手机中关键组成部分。正如麻省理工学院的物理学家本杰·明维德所说:“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。”

专家:北京工业大学物理学研究员王雯宇

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