量子半導(dǎo)體實現(xiàn)拓撲趨膚效應(yīng)可用于制造微型高精度傳感器和放大器

德國維爾茨堡—德累斯頓卓越集群ct.qmat團隊的理論和實驗物理學(xué)家開發(fā)出一種由鋁鎵砷制成的半導(dǎo)體器件。這項開創(chuàng)性的研究發(fā)表在最新一期《自然·物理學(xué)》期刊上。

實現(xiàn)拓撲趨膚效應(yīng)的量子半導(dǎo)體器件盡管存在材料變形或其他外部擾動，電子沿邊緣流動（藍色圓圈）仍可確保無與倫比的穩(wěn)健性。這種量子半導(dǎo)體標志著微型拓撲電子器件發(fā)展的突破。

由于拓撲趨膚效應(yīng)，量子半導(dǎo)體上不同觸點之間的所有電流都不受雜質(zhì)或其他外部擾動的影響。這使得拓撲器件對半導(dǎo)體行業(yè)越來越有吸引力，因為其消除了對材料純度的要求，而材料提純成本極高。拓撲量子材料以其卓越的穩(wěn)健性而聞名，非常適合功率密集型應(yīng)用。新開發(fā)的量子半導(dǎo)體既穩(wěn)定又高度準確，這種罕見組合使該拓撲器件成為傳感器工程中令人興奮的新選擇。

利用拓撲趨膚效應(yīng)可制造新型高性能量子器件，而且尺寸也可做得非常小。新的拓撲量子器件直徑約為0.1毫米，且可輕松地進一步縮小。這一成就的開創(chuàng)性在于，首次在半導(dǎo)體材料中實現(xiàn)了微觀尺度的拓撲趨膚效應(yīng)。這種量子現(xiàn)象3年前首次在宏觀層面得到證實，但只是在人造超材料中，而不是在天然超材料中。因此，這是首次開發(fā)出高度穩(wěn)健且超靈敏的微型半導(dǎo)體拓撲量子器件。

通過在鋁鎵砷半導(dǎo)體器件上創(chuàng)造性地布置材料和觸點，研究團隊在超冷條件和強磁場下成功誘導(dǎo)出拓撲效應(yīng)。他們采用了二維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，觸點的排列方式可在觸點邊緣測量電阻，直接顯示拓撲效應(yīng)。

研究人員表示，在新的量子器件中，電流—電壓關(guān)系受到拓撲趨膚效應(yīng)的保護，因為電子被限制在邊緣。即使半導(dǎo)體材料中存在雜質(zhì)，電流也能保持穩(wěn)定。此外，觸點甚至可檢測到最輕微的電流或電壓波動。這使得拓撲量子器件非常適合制造尺寸極小的高精度傳感器和放大器。

審核編輯：劉清