科學家創造出世界上首個「量子半導體」 體積更小且少干擾

編譯/高晟鈞

從手機、筆記型電腦到電動汽車和尖端醫療設備,半導體晶片可謂是所有電子產品的心臟,很大程度上決定了電子產品的性能。然而,一點點材料雜質與溫度變化都可能干擾電子流動,進而影響電子元件的穩定性。

科學家創造出世界上首個「量子半導體」 體積更小且少干擾。圖/截取自 ScitechDaily

德國的研究團隊近期開發了一種由鋁鎵砷(AlGaAs)製成的半導體裝置,透過結合拓樸量子技術,成功地避免了電子流動干擾的現象。

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量子拓樸材料與集膚效應

拓樸材料由於特殊的性質,在邊界上會攜帶自旋流;既然提到自旋流,又怎麼離得開量子領域呢?

前文提到,許多外在因素都會影響電子的流動,趨膚效應(Skin Effect)則被用來解釋交流電在導體中分布的趨勢,趨膚效應會減少導體的有效截面積,導致有效電阻增加(電力轉換效率降低)。而拓樸材料特殊的性質,能使半導體無視集膚效應;這意味著所有電流都能在量子半導體的接觸表面上,免受雜質或其他外部因素的干擾。

精確、堅固、穩定

透過拓樸集膚效應(Topological Skin Effect),我們將能實現更高性能、更小的量子電子設備。作者Jeroen van den Brink透露,他們的拓樸量子設備直徑將只有100微米,甚至還能再進一步縮小。

「在我們的量子設備中,電流-電壓關係受到拓樸集膚效應的保護。因為電子被限制在邊緣,所以即使半導體材料中存在雜質,電流也能保持穩定。」Jeroen說道。

這也是人們首次在半導體材料中實現了微觀尺度的拓樸集膚效應,並且還是在天然超材料,而非人造超材料中。這種高度穩定、高度靈敏的微型量子半導體拓樸裝置,象徵了拓樸電子元件的一個重要里程碑,有望為未來結合電子、量子領域奠定扎實的基礎。

資料來源:ScitechDaily

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