德克薩斯大學(xué)達拉斯分校物理學(xué)家的新基礎(chǔ)研究可能會加速推動更先進的電子設(shè)備和更強大的計算機。

科學(xué)家正在研究稱為拓撲絕緣體的材料，其表面電性能基本上與內(nèi)部性質(zhì)相反。

“從內(nèi)部到外部，這些材料都是由同一種材料制成的，”UT達拉斯物理學(xué)助理教授FanZhang博士說。“但是，內(nèi)部不會傳導(dǎo)電子-它是絕緣體-而表面上的電子可以自由移動。因此，表面是導(dǎo)體，就像金屬一樣，但實際上它比金屬更堅固。“

有兩種類型的拓撲絕緣體：強和弱。它們之間的區(qū)別很微妙，涉及復(fù)雜的物理學(xué)，但卻非常重要。

“如果你的材料立方體是一個強大的拓撲絕緣體，那么所有六個面都可以傳導(dǎo)電子，”張說。“對于弱者，只有四個邊是導(dǎo)電的，而頂面和底面保持絕緣。”

在理論上提出后，不久就通過實驗制作了強大的拓撲絕緣體。張說，它們在自然界中很常見，已經(jīng)確定了幾十種變異并通過實驗證實。

另一方面，弱拓撲絕緣體更難以捉摸。科學(xué)家已經(jīng)提出了各種方法來構(gòu)建一個弱的拓撲絕緣體，但由于其獨特的性質(zhì)，研究人員無法明確地說他們已經(jīng)通過實驗制作了一個。

理論物理學(xué)家張先生設(shè)計了一種制造弱拓撲絕緣子的新方法，這種絕緣子涉及兩種化學(xué)元素的相對簡單的混合物：由鉍與碘或溴組合而成的晶體。他和他的同事最近在“物理評論快報”雜志上發(fā)表了這項研究，并在3月份的美國物理學(xué)會會議上介紹了他們的工作。

張說，在20世紀(jì)70年代，德國科學(xué)家生長了碘化鉍和溴化鉍，但他們并不了解它們作為弱拓撲絕緣體的潛力。

“我們提出的這類材料是一個獨特的平臺，可以用相當(dāng)簡單的化學(xué)方法探索奇異物理，”他說。“通過進一步的研究和實驗，我們的研究結(jié)果可以帶來技術(shù)的重大進步，特別是在電子和量子計算方面。”

導(dǎo)電材料是傳統(tǒng)晶體管的基本構(gòu)件，其為包括手機和計算機在內(nèi)的電子設(shè)備供電。研究人員正在利用創(chuàng)新的物理和材料開發(fā)新的理論和實驗，以創(chuàng)造新的晶體管技術(shù)，運行設(shè)備并使計算機更強大。

張說，具有這種奇特的電氣特性，拓撲絕緣體提供了一種潛在的選擇。

他說：“我們的生活已經(jīng)被我們對電子傳導(dǎo)的理解以及對這種物理技術(shù)的利用在電子設(shè)備中的應(yīng)用進行了修改。”“我們現(xiàn)在需要徹底改變晶體管。一種可能的替代方案是所謂的拓撲場效應(yīng)晶體管，它可以由薄的拓撲絕緣體薄膜制成。”

計算機也正在進行基本的重新設(shè)計，張的研究可能有助于這些努力。

“基本的計算規(guī)模現(xiàn)在非常有限，”他說。“對于許多應(yīng)用，如天氣預(yù)報和信息編碼和解碼，今天的計算機速度太慢。但是，已經(jīng)提出量子計算機將使用量子物理學(xué)的原理以比當(dāng)今計算機更快的速度計算。

“弱拓撲絕緣體可以使量子計算變得可行。”

作為一個理論家，張用老式的鉛筆和紙來構(gòu)建他的鉍化合物理論的基礎(chǔ)。他的博士后研究員劉成成博士是該研究的主要作者，現(xiàn)在是北京理工大學(xué)的助理教授，然后在位于德克薩斯州UT奧斯汀的德克薩斯高級計算中心使用高速超級計算機測試了具體的數(shù)字。

張的UT達拉斯同事，物理學(xué)助理教授BingLv博士已經(jīng)制作了碘化鉍樣品。

“下一步將是描述材料的特征，以探索弱拓撲絕緣體可以為基礎(chǔ)物理學(xué)和我們的日常生活提供的獨特屬性，”張說。

除了Zhang和Liu之外，該研究的其他作者還有加州理工學(xué)院的Jin-JianZhou博士和北京理工大學(xué)的YuguiYao。