拓扑电子学的曲折蓝图

卧龙岗大学领导的一项合作研究证实了新一代超低能量拓扑电子学的开关机制。基于新型量子拓扑材料，此类设备将拓扑绝缘体从非导电(传统电绝缘体)状态“切换”到导电(拓扑绝缘体)状态，从而电流可以沿着其边缘状态流动而不会浪费能量。

这种拓扑电子可以从根本上减少计算和电子设备的能源消耗，估计消耗全球电力的 8%，并且每十年翻一番。

该研究由卧龙岗大学 (UOW) 的 Muhammad Nadeem 博士领导，还引入了新南威尔士大学和莫纳什大学 FLEET 中心合作者的专业知识。

解决切换挑战

二维拓扑绝缘体是用于拓扑量子电子器件的有前途的材料，其中边缘状态传输可以通过栅极感应电场来控制。

然而，这种电场引起的拓扑转换的一个主要挑战是需要一个不切实际的大电场来关闭拓扑带隙。

跨节点和跨学科的 FLEET 研究团队研究了电子特性的宽度依赖性，以确认被称为 zigzag-Xene 纳米带的一类材料将满足操作的必要条件，即：

在无间隙和有间隙边缘状态之间切换所需的阈值电压随着材料宽度的减小而降低，没有任何基本的下限

无需大量(即内部)带隙关闭和重新打开即可实现边缘状态之间的拓扑切换

量子限制之字形-氙纳米带可能会促进超低能拓扑计算技术的进步。

Zigzag Xenes 可能是关键

石墨烯是第一个被证实的原子薄材料，一种排列在蜂窝晶格中的二维碳原子(IV族)薄片。现在，正在研究类似的 IV 族和 V 族材料蜂窝板的拓扑和电子特性，统称为 2D-Xenes。

2D-Xenes 是拓扑绝缘体——即内部是电绝缘的，但沿其边缘是导电的，电子在不耗散任何能量的情况下传输(类似于超导体)。当 2D-Xene 片材被切割成终止于“之字形”边缘的窄带(称为之字形-Xene-纳米带)时，它保留了拓扑绝缘体的导电边缘模式特征，这被认为保留了它们在没有电流的情况下承载电流的能力耗散。

最近的研究表明，zigzag-Xene-nanoribbons 具有制造拓扑晶体管的潜力，可以将开关能量降低四倍。

由 UOW 领导的新研究发现如下：

保持边缘状态

测量表明，Z 字形-Xene 纳米带中的自旋过滤手性边缘状态保持无间隙，并且可以防止引起电阻的反向散射，即使在超窄带中存在有限的边缘间重叠(这意味着 2D 量子自旋霍尔材料经历一个相过渡到一维拓扑金属。)这是由与本征带拓扑驱动的能量零模式交织的边缘状态驱动的。

“量子限制之字形-氙-纳米带是一类特殊的拓扑绝缘材料，其中块状样品的能隙随着宽度的减小而增加，而边缘态传导即使宽度减小到准-一维，”FLEET 研究员和新研究的合作者、副教授 Dmitrie Culcer (UNSW) 说。“受限的 zigzag-Xene-nanoribbons 的这一特征与其他二维拓扑绝缘材料形成鲜明对比，在这些材料中，受限效应也会在边缘状态中引起能隙。”

低阈值电压

由于栅极引起的边缘间耦合的宽度和动量相关的可调性，在无间隙和有间隙边缘状态之间切换所需的阈值电压随着材料宽度的减小而降低，没有任何基本的下限。

“超窄的锯齿形-Xene-纳米带可以在具有导电无间隙边缘状态的准一维拓扑金属和具有间隙边缘状态的普通绝缘体之间'切换'，只需稍微调整电压旋钮，”主要作者博士说. 穆罕默德·纳迪姆 (UOW)。

“电压旋钮的所需调整随着锯齿形-Xene-纳米带宽度的减小而降低，而较低的工作电压意味着设备可以使用更少的能量。电压旋钮调整的减少是由于称为自旋轨道的相对论量子效应“

无需体带隙闭合的拓扑切换

当 zigzag-Xene 纳米带的宽度小于临界极限时，可以在没有体带隙关闭和重新打开的情况下实现边缘状态之间的拓扑转换。这主要是由于对体带光谱的量子限制效应，这会随着宽度的减小而增加非平凡体带隙。

“这种行为是新的，与二维拓扑绝缘体不同，在二维拓扑绝缘体中，总是需要带隙闭合和重新打开来改变拓扑状态，”Michael Fuhrer 教授(蒙纳士大学)说。“宽 zigzag-Xene-nanoribbons 的行为更像是 2D 情况，其中栅极电场切换边缘状态电导，同时关闭和重新打开体带隙。”

“在存在自旋轨道耦合的情况下，[a] 大间隙受限之字形-Xene-纳米带中的拓扑转换机制颠覆了在标准场效应晶体管分析中利用窄间隙和宽沟道材料降低阈值电压的普遍智慧”王晓林教授(UOW)说。

“此外，[a] 拓扑量子场效应晶体管利用 zigzag-Xene-nanoribbons 作为通道材料具有设计和制造中涉及的工程复杂性的几个优点，”Alex Hamilton 教授(新南威尔士大学)说。

与阈值电压的尺寸依赖性与隔离技术纠缠在一起的 MOSFET 技术不同，拓扑量子场效应晶体管中阈值电压的降低是与拓扑和量子力学功能相关的锯齿形-Xene-纳米带的固有特性。

除了非常不同的传导和开关机制外，制造具有之字形-Xene-纳米带的拓扑量子场效应晶体管所需的技术方面也与 MOSFET 完全不同：对于低电压，没有专门的技术/隔离技术的基本要求具有节能开关机制的电压 TQFET。

通过保持导通状态的拓扑稳健性和最小的阈值电压，可以将沟道宽度减小到准一维。这允许优化拓扑量子场效应晶体管的几何形状，通过多个边缘状态通道增强信噪比。

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