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拓扑材料首次关闭和打开

发布时间:2019-01-28 09:51:02 来源:

在过去的十年中,人们对这一发现感到非常兴奋,这一发现仅在两年前的诺贝尔物理学奖中得到认可,有两种类型的绝缘体:不导电的普通绝缘体和拓扑绝缘体 - 新发现的仅在边缘导电的材料。

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“切换”这两种物质状态之间的物质。这是创建功能拓扑晶体管的第一步 - 提出新一代超低能耗电子器件。

诸如拓扑晶体管之类的超低能耗电子设备将允许计算继续增长,而不受可用能量的限制,因为我们接近传统硅基电子设备可实现的改进的终点(摩尔定律的终结现象)。

研究作者Michael Fuhrer教授解释说:“超低能量拓扑电子学是解决现代计算能源日益增长的挑战的潜在解决方案。”

“信息和通信技术(ICT)已经消耗了全球8%的电力,而且这种情况每十年翻一番。”

这项新研究是实现功能拓扑晶体管目标的重大进展。

工作原理:拓扑材料和拓扑晶体管

拓扑绝缘体是一种新型材料,在其内部表现为电绝缘体,但可沿其边缘传输电流。

“在这些边缘路径中,电子只能向一个方向传播,”主要作者Mark Edmonds博士解释说。“这意味着不会出现'背散射',这就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承载具有接近零能量耗散的电流,这意味着拓扑晶体管可以比传统电子器件燃烧更少的能量。他们还可以更快地切换。

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运算,在open(0)和closed(1)之间切换。

“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,”Edmonds博士解释道。“我们设想这种开关可以促进全新的计算技术,它使用更低的能量。”

电场引起从“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)的可行替代方案,拓扑晶体管必须:

在室温下操作(无需昂贵的过冷),

导通(1)和非导通(0)之间的“切换”,和

通过施加电场,切换速度非常快。“

虽然理论上已经提出了可切换的拓扑绝缘体,但这是该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换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,但测得的大带隙证实材料在室温下会正常转换。)

ICT能源使用,摩尔定律和“超越CMOS”解决方案

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转换驱动的。

每次晶体管切换时,会消耗少量能量,并且每秒数万亿次晶体管切换数十亿次,这种能量就会增加。

多年来,通过更高效,更紧凑的CMOS(硅基)微芯片来控制指数增长的计算量的能量需求 - 这与着名的“摩尔定律”有关。但随着基本的物理极限接近,摩尔定律即将结束,未来的效率有限。

“信息技术革命改善了我们的生活,我们希望它能够继续下去,”Michael Fuhrer教授说。

“但为了继续增长计算,以满足不断变化的需求,我们需要更高效的电子产品。”

“我们需要一种新型晶体管,在切换时会消耗更少的能量。”

“这一发现是向拓扑晶体管方向迈出的一步,可以改变计算领域。”

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