自從一種被稱為拓?fù)浣^緣體的新材料問世以來(lái)（這一發(fā)現(xiàn)幫助獲得了 2016 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)），研究人員一直對(duì)其的電子應(yīng)用的可能性很感興趣，例如超低能晶體管、癌癥掃描激光器和超越5G的自由空間通信。拓?fù)浣^緣體的不尋常名稱源于其內(nèi)部絕緣和外部導(dǎo)電：在拓?fù)浣^緣體的外邊界上，電或（在某些情況下）光很容易繞過角落和缺陷，并且?guī)缀鯖]有損失。

令人驚訝的是，拓?fù)浣^緣體似乎只是第一代奇異的電和光半金屬、超導(dǎo)體和其他形式的物質(zhì)。盡管這些奇怪的、有時(shí)甚至是古怪的化合物目前可能令人困惑，但研究人員發(fā)現(xiàn)這些材料具有特殊的特性，可以開發(fā)成未來(lái)的技術(shù)。

拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，它探索與變形無(wú)關(guān)的形狀的性質(zhì)。例如，一個(gè)形狀像甜甜圈的物體可以變形為杯子的形狀，這樣甜甜圈的孔就變成了杯子把手上的孔。然而，物體不可能在不改變成根本不同的形狀的情況下失去洞。

研究人員利用拓?fù)鋵W(xué)的見解，于 2007 年開發(fā)了第一個(gè)電子拓?fù)浣^緣體。沿著這些材料的邊緣或表面快速移動(dòng)的電子受到“拓?fù)浔Ｗo(hù)”，這意味著電子流動(dòng)的模式將在面對(duì)任何干擾時(shí)保持不變可能會(huì)遇到。

拓?fù)洳牧先绾芜M(jìn)入未來(lái)的電子和光子學(xué)？以下是一些可能的路線。

電子拓?fù)浣^緣體

澳大利亞科學(xué)家表示，基于電子拓?fù)浣^緣體的晶體管可以幫助計(jì)算機(jī)節(jié)省大量能源。墨爾本莫納什大學(xué)的物理學(xué)家 Michael Fuhrer 說(shuō)：“我們預(yù)計(jì)拓?fù)渚w管可以取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶體管，并且對(duì)于相同尺寸的晶體管使用更少的能量。”

為了將數(shù)據(jù)表示為 1 和 0，電子設(shè)備會(huì)在一種電狀態(tài)和另一種電狀態(tài)之間切換晶體管，這種切換需要最少量的電壓。研究人員探索了用電子拓?fù)浣^緣體代替用于制造晶體管的傳統(tǒng)半導(dǎo)體。當(dāng)這些材料表現(xiàn)正常時(shí)，它們的導(dǎo)電邊緣可以充當(dāng)晶體管的“導(dǎo)通”狀態(tài)。但是當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，它們不再像電子拓?fù)浣^緣體那樣起作用，因此不再具有導(dǎo)電邊緣，從而充當(dāng)晶體管的“關(guān)斷”狀態(tài)。

通過使用正確的拓?fù)洳牧希茖W(xué)家們計(jì)算出拓?fù)渚w管可以消耗標(biāo)準(zhǔn)晶體管的一半電壓和四分之一的能量?！敖裉斓挠?jì)算使用了世界電力的 8% 到 10%，并且每十年翻一番，”Fuhrer說(shuō)。“所以我們需要一種新技術(shù)來(lái)提高計(jì)算機(jī)芯片的效率。拓?fù)渚w管可以做到這一點(diǎn)。”

拓?fù)渚w管的一個(gè)可能候選者是鉍，一種排列在蜂窩晶格中的單層鉍原子。研究人員剛剛開始在實(shí)驗(yàn)室中研究鉍，因此還沒有將其制成晶體管。其他材料尚未合成?！斑@項(xiàng)工作需要很多時(shí)間，我們不希望我們?cè)O(shè)想的晶體管明年或什至在這十年內(nèi)出現(xiàn)在你的 iPhone 中，”Fuhrer說(shuō)。

光子拓?fù)浣^緣體

2009年，科學(xué)家們開發(fā)出光子拓?fù)浣^緣體，其中的光同樣受到拓?fù)浔Ｗo(hù)。這些材料的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致特定波長(zhǎng)的光沿其外部流動(dòng)而不會(huì)損失或散射，即使在拐角和缺陷周圍也是如此。

第一個(gè)找到實(shí)際用途的拓?fù)浣^緣體實(shí)際上可能是光子的，而不是電子的。一種可能的應(yīng)用可能是包含拓?fù)浔Ｗo(hù)的激光器，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，它可能顯示出更好的效率和對(duì)缺陷的穩(wěn)健性。這樣的好處將提高數(shù)量和加工后使用的設(shè)備的一致性，新加坡南洋理工大學(xué)電學(xué)和光學(xué)工程師Qi Jie Wang說(shuō)。

科學(xué)家們從由砷化鎵和砷化鋁鎵層制成的芯片開始。當(dāng)充電時(shí)，芯片發(fā)出明亮的光。研究人員在芯片上鉆了一系列孔，每個(gè)孔都類似于一個(gè)四角被修剪掉的等邊三角形。在這個(gè)格子周圍，研究人員鉆了額外的相同形狀但方向相反的孔。

來(lái)自芯片的光沿著不同組孔之間的邊界流動(dòng)，并作為激光束從附近的通道發(fā)出。事實(shí)證明，這種制程可以抵御缺陷，包括科學(xué)家鉆出的額外孔。“我們能夠創(chuàng)造光可以通過而沒有散射損失或反射的光子結(jié)構(gòu)，”王說(shuō)。

這種激光以太赫茲頻率工作，這對(duì)于癌癥篩查和機(jī)場(chǎng)安全掃描非常有用。王和他的同事目前正在探索使用夾在一起的銦鎵砷和銦鋁砷層來(lái)發(fā)射中紅外波長(zhǎng)的拓?fù)浼す馄?，這對(duì)于檢測(cè)和分析空氣污染物、激光雷達(dá)傳感器或 5G 以外的自由空間通信等應(yīng)用非常有用。然而，他指出 COVID-19 大流行推遲了實(shí)驗(yàn)工作。

拓?fù)涑瑢?dǎo)體

盡管拓?fù)浣^緣體在其外部擁有受拓?fù)浔Ｗo(hù)的電子或光子，但一類不尋常的被稱為拓?fù)涑瑢?dǎo)體的超導(dǎo)體可能在其表面擁有難以捉摸的理論粒子，可以推動(dòng)量子計(jì)算的重大進(jìn)步。

拓?fù)涑瑢?dǎo)體通常由與半導(dǎo)體耦合的超導(dǎo)金屬制成。這些材料之間的相互作用可以產(chǎn)生Majorana fermions，，這是它們自己的反粒子的長(zhǎng)期理論粒子。

Majorana fermions，可以用作量子位或量子位，這是大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)的核心——理論上可以在瞬間執(zhí)行比宇宙中原子更多的計(jì)算的機(jī)器。量子比特通常是脆弱的，但拓?fù)涑瑢?dǎo)體的Majorana fermions可以證明拓?fù)浔Ｗo(hù)不受干擾，科學(xué)家認(rèn)為這一特性可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)?！巴?fù)淞孔颖忍厥侨藗儗?duì)拓?fù)涑瑢?dǎo)感興趣的最重要原因，”馬里蘭大學(xué)帕克分校的凝聚態(tài)理論家張瑞興說(shuō)。

然而，到目前為止，還沒有確鑿的證據(jù)證明拓?fù)涑瑢?dǎo)體或Majorana fermions的存在，張說(shuō)。2018年微軟支持的一項(xiàng)研究聲稱找到了這兩者的有力證據(jù)，但這項(xiàng)工作最終在 2021 年被撤回。

盡管如此，研究人員仍對(duì)證實(shí)拓?fù)涑瑢?dǎo)體的存在抱有希望。張和他的同事建議檢查鐵基超導(dǎo)體的薄膜，而其他人則建議使用石墨烯等材料。“我非常樂觀，我們將在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)Majorana物理學(xué)，”張說(shuō)。

拓?fù)浒虢饘?/p>

拓?fù)浒虢饘倬推鋵?dǎo)電或?qū)崮芰Φ忍匦远?，介于金屬和絕緣體之間。世界各地的科學(xué)家越來(lái)越多地發(fā)現(xiàn)，這些材料具有非凡的特性，例如幾乎無(wú)耗散的電流以及比任何其他材料都能夠?qū)⒏嗟墓廪D(zhuǎn)化為電能的能力，這暗示了廣泛的潛在應(yīng)用，例如超低電力電子設(shè)備和廢熱發(fā)電。

存在多種令人眼花繚亂的拓?fù)浒虢饘伲绲依税虢饘?、外爾半金屬、多重費(fèi)米子半金屬等，每一種在拓?fù)渖隙寂c其他半金屬不同。傳統(tǒng)半金屬可以通過溫度變化或化學(xué)成分的輕微調(diào)整輕松轉(zhuǎn)化為金屬或絕緣體，而拓?fù)浒虢饘俦M管溫度或成分發(fā)生變化，但仍頑固地保持其半金屬性質(zhì)。

物理學(xué)家說(shuō)，就像石墨烯，電流可以在拓?fù)浒虢饘倭鲙缀趿愫哪艿模锌赡苁顾麄儗?duì)超低功耗的電子有用的正木內(nèi)田在東京工業(yè)大學(xué)。物理學(xué)家說(shuō)，與此同時(shí)，研究人員可以在理論上有所不同拓?fù)浒虢饘俚暮穸葋?lái)調(diào)整自己的特性，而原子薄的石墨烯具有有限的厚度和設(shè)計(jì)的目的因此不太靈活。

拓?fù)浒虢饘龠€可以顯示出乎意料的特性，例如，在波士頓學(xué)院的物理學(xué)家肯伯奇和他的同事們發(fā)現(xiàn)，鉭砷化可以本質(zhì)上產(chǎn)生的10倍以上之多電流從光作為任何其它材料。這種效應(yīng)發(fā)生在中紅外光下，這表明砷化鉭可用于化學(xué)和熱成像。“你也可以想象將熱物體作為廢能發(fā)出的紅外輻射轉(zhuǎn)化為有用的電能，”伯奇說(shuō)。

幾十年來(lái)，科學(xué)家們可能忽視了許多拓?fù)浒虢饘俚娘@著特征。麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)家本杰明·維德（Benjamin Wieder）和他的同事最近剛剛在單硅化鈷和類似材料中發(fā)現(xiàn)了這種特性 ，研究人員已經(jīng)研究了近 70 年。

“拓?fù)洳牧习l(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的未來(lái)可能不在于新材料的設(shè)計(jì)，而是。。。。。。重新發(fā)現(xiàn)具有被忽視特性的有趣材料，”Wieder說(shuō)?！叭绻阒廊ツ睦镎?，下一個(gè)非常受歡迎的固態(tài)材料可能會(huì)藏在一張有70年歷史的紙里。”

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