“弱”材料为电子产品提供了强大的可能性

德克萨斯大学达拉斯分校物理学家的新基础研究可能会加速推动更先进的电子设备和更强大的计算机。

科学家正在研究称为拓扑绝缘体的材料，其表面电性能基本上与内部性质相反。

“从内部到外部，这些材料都是由同一种材料制成的，”UT达拉斯物理学助理教授FanZhang博士说。“但是，内部不会传导电子-它是绝缘体-而表面上的电子可以自由移动。因此，表面是导体，就像金属一样，但实际上它比金属更坚固。“

有两种类型的拓扑绝缘体：强和弱。它们之间的区别很微妙，涉及复杂的物理学，但却非常重要。

“如果你的材料立方体是一个强大的拓扑绝缘体，那么所有六个面都可以传导电子，”张说。“对于弱者，只有四个边是导电的，而顶面和底面保持绝缘。”

在理论上提出后，不久就通过实验制作了强大的拓扑绝缘体。张说，它们在自然界中很常见，已经确定了几十种变异并通过实验证实。

另一方面，弱拓扑绝缘体更难以捉摸。科学家已经提出了各种方法来构建一个弱的拓扑绝缘体，但由于其独特的性质，研究人员无法明确地说他们已经通过实验制作了一个。

理论物理学家张先生设计了一种制造弱拓扑绝缘子的新方法，这种绝缘子涉及两种化学元素的相对简单的混合物：由铋与碘或溴组合而成的晶体。他和他的同事最近在“物理评论快报”杂志上发表了这项研究，并在3月份的美国物理学会会议上介绍了他们的工作。

张说，在20世纪70年代，德国科学家生长了碘化铋和溴化铋，但他们并不了解它们作为弱拓扑绝缘体的潜力。

“我们提出的这类材料是一个独特的平台，可以用相当简单的化学方法探索奇异物理，”他说。“通过进一步的研究和实验，我们的研究结果可以带来技术的重大进步，特别是在电子和量子计算方面。”

导电材料是传统晶体管的基本构件，其为包括手机和计算机在内的电子设备供电。研究人员正在利用创新的物理和材料开发新的理论和实验，以创造新的晶体管技术，运行设备并使计算机更强大。

张说，具有这种奇特的电气特性，拓扑绝缘体提供了一种潜在的选择。

他说：“我们的生活已经被我们对电子传导的理解以及对这种物理技术的利用在电子设备中的应用进行了修改。”“我们现在需要彻底改变晶体管。一种可能的替代方案是所谓的拓扑场效应晶体管，它可以由薄的拓扑绝缘体薄膜制成。”

计算机也正在进行基本的重新设计，张的研究可能有助于这些努力。

“基本的计算规模现在非常有限，”他说。“对于许多应用，如天气预报和信息编码和解码，今天的计算机速度太慢。但是，已经提出量子计算机将使用量子物理学的原理以比当今计算机更快的速度计算。

“弱拓扑绝缘体可以使量子计算变得可行。”

作为一个理论家，张用老式的铅笔和纸来构建他的铋化合物理论的基础。他的博士后研究员刘成成博士是该研究的主要作者，现在是北京理工大学的助理教授，然后在位于德克萨斯州UT奥斯汀的德克萨斯高级计算中心使用高速超级计算机测试了具体的数字。

张的UT达拉斯同事，物理学助理教授BingLv博士已经制作了碘化铋样品。

“下一步将是描述材料的特征，以探索弱拓扑绝缘体可以为基础物理学和我们的日常生活提供的独特属性，”张说。

除了Zhang和Liu之外，该研究的其他作者还有加州理工学院的Jin-JianZhou博士和北京理工大学的YuguiYao。