Only Perception: 拓撲絕緣體：新奇異材料或能革新電子學

2009-06-20

拓撲絕緣體：新奇異材料或能革新電子學

New exotic material could revolutionize electronics
http://www.physorg.com/news164289676.html

June 15th, 2009

矽... 挪一下，也許是該為這個「谷」起個新名字的時候了。在 DOE SLAC 國立加速器實驗室與史丹佛大學的物理學家已確認某類材料的存在，有朝一日或能提供超快、更有效率的電腦晶片。

經過最近的預測與許多探尋，這種物質允許電子在其表面傳導而不會在室溫下喪失能量，而且可利用現有的半導體技術組裝。這樣的物質能使微晶片的速度躍進，而且能成為全新一類運算產業的基礎 -- 那基於自旋電子學（spintronics），這種次世代的電子學。

物理學家 Yulin Chen（陳宇林）、Zhi-Xun Shen（沈志勛）等人在碲化鉍這種化合物中試驗電子的行為。其結果，發表在 6/11 的 Science Express 上，顯現出一種所謂「拓撲絕緣體（topological insulator）」的明確特徵 -- 一種能使電子自由流經其表面而不會喪失能量的物質。

這項發現是史丹佛材料與能源科學研究所（SIMES） -- SLAC-Stanford 聯合單位 -- 的理論與實驗物理學家間，團隊合作的結果。在最近幾個月，SIMES 理論學家 Shoucheng Zhang（張守晟）等人預測數種鉍（bismuth）與銻（antimony）化合物能成為室溫下的拓撲絕緣體。這篇新論文在碲化鉍（bismuth telluride）中證實了那個預測。"SIMES 的研究方式超讚，" Chen 說。"理論學家、實驗學家以及樣本生長器能以一種廣闊的感覺合作。"

實驗者利用來自 SLAC 的 Stanford Synchrotron Radiation Lightsource （史丹佛同步輻射光源）以及 LBNL 的 Advanced Light Source（先進光源）的 X 光檢查碲化鉍樣本。當 Chen 等人研究電子的行為時，他們看見拓撲絕緣體的明確特徵。不只如此，該小組發現碲化鉍的事實（reality）甚至比理論所預測的更好。

"這些理論非常接近，" Chen 說，"不過那裡有定量上的差異。" 這些實驗證明碲化鉍所能忍受的溫度高於理論學家的預測。"這意味著這種材料比我們想像的還要更接近ㄤ應用，" Chen 說。

幸虧驚人的、行為端正的電子，這種魔術才能成為可能。每個電子的量子自旋與電子的運動一致 -- 一種稱為量子自旋霍爾效應（quantum spin Hall effect，譯註：doi: 10.1126/science.1087128）的現象。這種一致性（alignment）在創造自旋電子學裝置 -- 此新種裝置超越了標準電子學 -- 中是一項關鍵要素。

"當你擊中某樣東西，通常會產生散射，還有反彈回來的可能，" 理論學家 Xiaoliang Qi（祁曉亮）解釋。"不過這種量子自旋霍爾效應意味著你無法確切地反射至相反的路徑。" 如同一種戲劇性的結果，電子在沒有阻礙的情況下流動。在一拓撲絕緣體上施加電壓，而這種特殊的自旋電路將會流動而不會導致該物質變熱或耗散（dissipating）。

拓撲絕緣體並非傳統的超導體也不是超效率電力線的糧秣，因為它們只能乘載小電流，不過它們在微晶片的發展中能為一場典範轉移鋪路。"這能導致自旋電子學的新應用，或利用電子自旋來乘載資訊，" Qi 表示。"不管它們是否能建造更好的導線，我對於它們能導致新的裝置、電晶體以及自旋電子裝置感到樂觀。"

幸運的是，在現實應用中，碲化鉍生長容易且能愉快合作。Chen 表示，"那是種三維材料，所以它很容易利用當前成熟的半導體技術製造。它也很容易摻雜 -- 你在挑整特性上也相對容易。"

"這已是一件令人非常振奮的事，" 他說，並補充表示，這種材料 "能導致我們製造出一種具有新運作原理的裝置。"

※ 唔，這是第2001篇文章。相關報導：

＊ Experimental Realization of a Three-Dimensional Topological Insulator, Bi2Te3
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1173034

Y. L. Chen, J. G. Analytis, J. H. Chu, Z. K. Liu, S.-K. Mo,
X. L. Qi, H. J. Zhang, D. H. Lu, X. Dai, Z. Fang,
S. C. Zhang, I. R. Fisher, Z. Hussain, Z.-X. Shen
Science, Published Online June 11, 2009
doi: 10.1126/science.1173034