拓撲絕緣體在芯片與量子計算領(lǐng)域應用潛力大 相關(guān)研究成果不斷增多

　　拓撲絕緣體，是一種內(nèi)部絕緣、邊緣導電的特殊絕緣體材料。拓撲絕緣體的內(nèi)部為絕緣體能帶結(jié)構(gòu)，存在能隙且費米能處于能隙中，表面則為金屬性質(zhì)，存在狄拉克型電子態(tài)，可以穿越能隙，且穩(wěn)定存在。拓撲絕緣體的結(jié)構(gòu)特殊，具有量子自旋霍爾效應、量子反�；魻栃�應，是物理學的重要科學前沿之一。

 

　　根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2025-2030年中國拓撲絕緣體行業(yè)市場深度調(diào)研及發(fā)展前景預測報告》顯示，電子在導體中運動時，存在能級躍遷，會釋放熱量，產(chǎn)生耗散。拓撲絕緣體表面基于電子自旋來傳遞電荷，具有自旋動量鎖定、拓撲保護、無耗散邊緣態(tài)等特點，產(chǎn)生的熱量及耗散低，在半導體芯片等電子元器件制造領(lǐng)域擁有廣闊發(fā)展前景。

 

　　半導體芯片功能集成度不斷提高，其上容納的晶體管數(shù)量持續(xù)增多，發(fā)熱問題日益突出。利用拓撲絕緣體來制造半導體芯片，可以明顯改善芯片發(fā)熱問題，并可以降低能耗，從而引發(fā)未來電子技術(shù)的新一輪革命。量子計算處理速度高、能耗低，可以替代晶體管計算，拓撲絕緣體在量子計算機制造領(lǐng)域的應用受到關(guān)注。

 

　　拓撲絕緣體包括二維拓撲絕緣體、三維拓撲絕緣體。二維拓撲絕緣體具有量子自旋霍爾效應，也稱為量子自旋霍爾絕緣體；三維拓撲絕緣體具有表面支持自旋極化二維狄拉克費米子的特點。

 

　　隨著科技進步，已開發(fā)問世的拓撲絕緣體產(chǎn)品種類逐步增多。HgTe/CdTe量子阱（碲化汞/碲化鎘量子阱）為二維拓撲絕緣體；BiSb（鉍銻合金）、Bi2Se3（硒化鉍）、Sb2Te3（碲化銻）、Bi2Te3（碲化鉍）等為三維拓撲絕緣體。

 

　　在國外，2023年，荷蘭科學家研制出了首個由單元素組成的二維（2D）拓撲絕緣體鍺烯，僅由鍺原子組成，相關(guān)研究發(fā)表于《物理評論快報》；同年，德國科研人員首次在拓撲絕緣體中制造出激子，有助于新一代光控電腦芯片和量子技術(shù)研究，相關(guān)研究發(fā)表于《自然通訊》。

 

　　新思界行業(yè)分析人士表示，在我國，中國科學院物理研究所方忠團隊在4萬多種非磁性材料中，篩選出了8千多種拓撲絕緣體和拓撲金屬，完成的研究成果“拓撲電子材料計算預測”獲得2023年度國家自然科學獎一等獎，其中包括成功發(fā)現(xiàn)首個量子反�；魻栃�應絕緣體。我國其他拓撲絕緣體相關(guān)研究機構(gòu)還有浙江大學、大連理工大學、清華大學、河北工業(yè)大學等。

 

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