新开发量子电晶体具备全新电子效应

　　美国麻省理工学院(MIT)的研究人员开发出一种新型的电晶体，利用具有所谓“量子自旋霍尔效应”的材料，能够制造出新型的拓扑场效电晶体(TFET)。这项研究结果已经透过德州先进运算中心(TACC)的超级电脑得到了证实。

　　根据最近才刚加入德州农工大学(Texas A&M University)，在新成立的材料科学系担任助理教授的授钱晓峰表示，“我们发现，在厚度仅3个原子的平面层进行沈积时，结晶晶格将会发生一种新的电子效应——我们可称其为量子自旋霍尔效应(Hall effect)。”

　　当电场关闭时，透过简单地施加一个沿着材料边缘导电的垂直电场(如图示的红色交叉线)，可以开启与关闭2D过渡金属二硫属化物(TMDC)的拓扑相位。当电场开启时，红色交叉线断开，在原子价与TMDC导电带之间出现黑色间隙，显示边缘不再导电。

　　德州农工大学材料科学与工程学系助理教授钱晓峰

　　利用像 TMDC 等大量散装的拓扑材料，研究人员们可在其顶部和底部进行沈积，但这种材料的内部是绝缘体。因此，钱晓峰及其他的研究人员们发现，当削薄至仅3个原子层厚时，仅在边缘具有导电性。更重要的是，透过施加一个垂直电场后，这种导电性还可以加以切换——透过闸极开启和关闭，就像普通的 FET 一样。更难得的是，制造出这种 TFET 自旋电子元件后，其电子导电性会根据自旋特性沿着边缘以不同的方向进行。

　　“更重要的是，电子会以一个方向向上自旋流动，而其他的电子则在相反方向向下旋转流动。因此，透过控制注入的带电载流子，可以开发出一种自旋的电晶体，”钱晓峰强调。

　　2D拓扑绝缘体单层只在边缘才具有导电性。图中顶部与底部紫色部份之间存在黑色间隙。纵横交错的红色线条用于弥补这一间隙。红色线条表示材料的边缘状态，可让电子穿过间隙实现导电性。

　　除了钱晓峰以外，研究团队成员还包括MIT在拓扑相位与2D材料方面的专家——Ju Li、Liang Fu与Junwei Liu，以及TACC的超级电脑专家，在其 Stampede 与 Lonestar 超级电脑上执行维也纳大学开发的Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)运算套件，协助他们证实研究的结果。

　　2D氮化硼(灰色部份)材料组成的量子电晶体示意图。在顶部的矩形“闸极”施加电场时，可开关切换中间层(黄色部份)的量子状态。被切换区域的边缘可作为完美的量子线，从而实现具有低损耗的新型电子元件。

　　下一步，研究团队们打算寻找在室温下具有相同或类似特性的新材料。他们已经将理论报告提交给几个实验室，期望可在其他实验室中打造新的 TFET 。藉由结合 TFET 与超级电脑，研究人员们希望实现“马约拉纳费米子”(Majorana fermion)零模式——拓扑量子运算的关键。

　　“在 2D 材料研究领域充满着各种机会与可能性。我们不只应该研究石墨烯，在 2D 材料方面也存在许多机会。我们期望在不久的将将来能将2D材料导入实际应用中。”这项研究的资金是由美国能源署(DoE)和美国国家科学基金会(NSF)提供的。