拓扑绝缘体,是一种内部绝缘、边缘导电的特殊绝缘体材料。拓扑绝缘体的内部为绝缘体能带结构,存在能隙且费米能处于能隙中,表面则为金属性质,存在狄拉克型电子态,可以穿越能隙,且稳定存在。拓扑绝缘体的结构特殊,具有量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应,是物理学的重要科学前沿之一。
半导体芯片功能集成度不断提高,其上容纳的晶体管数量持续增多,发热问题日益突出。利用拓扑绝缘体来制造半导体芯片,可以明显改善芯片发热问题,并可以降低能耗,从而引发未来电子技术的新一轮革命。量子计算处理速度高、能耗低,可以替代晶体管计算,拓扑绝缘体在量子计算机制造领域的应用受到关注。
拓扑绝缘体包括二维拓扑绝缘体、三维拓扑绝缘体。二维拓扑绝缘体具有量子自旋霍尔效应,也称为量子自旋霍尔绝缘体;三维拓扑绝缘体具有表面支持自旋极化二维狄拉克费米子的特点。
随着科技进步,已开发问世的拓扑绝缘体产品种类逐步增多。HgTe/CdTe量子阱(碲化汞/碲化镉量子阱)为二维拓扑绝缘体;BiSb(铋锑合金)、Bi2Se3(硒化铋)、Sb2Te3(碲化锑)、Bi2Te3(碲化铋)等为三维拓扑绝缘体。
在国外,2023年,荷兰科学家研制出了首个由单元素组成的二维(2D)拓扑绝缘体锗烯,仅由锗原子组成,相关研究发表于《物理评论快报》;同年,德国科研人员首次在拓扑绝缘体中制造出激子,有助于新一代光控电脑芯片和量子技术研究,相关研究发表于《自然通讯》。
新思界
行业分析人士表示,在我国,中国科学院物理研究所方忠团队在4万多种非磁性材料中,筛选出了8千多种拓扑绝缘体和拓扑金属,完成的研究成果“拓扑电子材料计算预测”获得2023年度国家自然科学奖一等奖,其中包括成功发现首个量子反常霍尔效应绝缘体。我国其他拓扑绝缘体相关研究机构还有浙江大学、大连理工大学、清华大学、河北工业大学等。