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首次关闭和打开拓扑材质

导读在过去的十年里,令人兴奋的是,两年前,诺贝尔物理学奖承认了两种绝缘体的发现: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

在过去的十年里,令人兴奋的是,两年前,诺贝尔物理学奖承认了两种绝缘体的发现: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研究人员通过施加电场,首次成功地在这两种物质状态之间“切换”了物质。这是创建功能拓扑晶体管的第一步——提出新一代超低功耗电子器件。

拓扑晶体管等超低能耗电子器件将允许计算继续增长,而不受可用能量的限制,因为我们已经接近传统硅基电子器件可以实现的改进的终点(摩尔定律的终点现象)。

研究作者迈克尔元首教授解释说:“超低能量拓扑电子是应对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)消耗了全球8%的电力,而且这种情况每十年翻一番。”

这项新的研究是实现功能拓扑晶体管目标的重大进展。

原理:拓扑材料和拓扑晶体管

拓扑绝缘体是一种新型材料,其内部表现为电绝缘体,但可以沿其边缘传输电流。

“在这些边缘路径中,电子只能向一个方向行进,”主要作者马克埃德蒙兹博士解释道。“这意味着不会出现‘背散射’,这也是传统电导体电阻大的原因。”

与传统的电导体不同,这种拓扑边缘路径可以以接近零的能量耗散携带电流,这意味着拓扑晶体管可以比传统电子设备消耗更少的能量。他们可能还需要更快地转换。

该拓扑将形成晶体管的有源“沟道”组件,完成计算中使用的二进制运算,并在on (0)和off (1)之间切换。

埃德蒙兹博士解释说:“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。“我们设想,这种切换可以促进采用能耗更低的新计算技术。”

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(没有昂贵的过冷),

在导通(1)和非导通(0)之间“切换”,以及

通过施加电场,开关速度非常快。"

虽然理论上已经提出了一种可切换拓扑绝缘体,但在这个实验中,这是第一次可以在室温下切换材料,这对于任何可行的替代技术都非常重要。

(在这项研究中,实验是在低温下进行的,但测量的大带隙证实了材料在室温下会正常开关。)

信通技术能源使用、摩尔定律和“超越互补金属氧化物半导体”解决方案

这项工作背后的第一个挑战是,越来越多的能源被用于信息和通信技术,其中很大一部分是由转型驱动的。

每一次晶体管开关,都会消耗少量的能量,这种能量在晶体管开关数万亿次,每秒数十亿次后会增加。

多年来,更高效、更紧凑的CMOS(硅基)微芯片被用来控制指数级增长计算的能量需求——这与著名的“摩尔定律”有关。但随着基本物理极限的临近,摩尔定律即将终结,未来效率有限。

“信息技术革命改善了我们的生活,我们希望它能继续下去,”迈克尔元首教授说。

“但随着计算的不断发展,为了满足不断变化的需求,我们需要更高效的电子产品。”

"我们需要一种新型的晶体管,它在开关时消耗更少的能量."

"这一发现是迈向拓扑晶体管的一步,它可以改变计算领域."

计算的燃烧能源占全球用电量的8%。

信息和通信技术的能源使用每十年翻一番。

信息技术对气候变化的贡献与航空业同样重要。

摩尔定律已经控制了信息和通信技术的能量50年,这将在下一个十年结束。

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