在過去的十年里，令人興奮的是，兩年前，諾貝爾物理學(xué)獎承認了兩種絕緣體的發(fā)現(xiàn)：不導(dǎo)電的普通絕緣體和拓撲絕緣體——新發(fā)現(xiàn)的僅在邊緣導(dǎo)電的材料。
現(xiàn)在，澳大利亞莫納什大學(xué)的FLEET研究人員通過施加電場，首次成功地在這兩種物質(zhì)狀態(tài)之間“切換”了物質(zhì)。這是創(chuàng)建功能拓撲晶體管的第一步——提出新一代超低功耗電子器件。
拓撲晶體管等超低能耗電子器件將允許計算繼續(xù)增長，而不受可用能量的限制，因為我們已經(jīng)接近傳統(tǒng)硅基電子器件可以實現(xiàn)的改進的終點(摩爾定律的終點現(xiàn)象)。
研究作者邁克爾元首教授解釋說：“超低能量拓撲電子是應(yīng)對現(xiàn)代計算能源日益增長的挑戰(zhàn)的潛在解決方案?！?
“信息和通信技術(shù)(ICT)消耗了全球8%的電力，而且這種情況每十年翻一番?！?
這項新的研究是實現(xiàn)功能拓撲晶體管目標(biāo)的重大進展。
原理：拓撲材料和拓撲晶體管
拓撲絕緣體是一種新型材料，其內(nèi)部表現(xiàn)為電絕緣體，但可以沿其邊緣傳輸電流。
“在這些邊緣路徑中，電子只能向一個方向行進，”主要作者馬克埃德蒙茲博士解釋道?！斑@意味著不會出現(xiàn)‘背散射’，這也是傳統(tǒng)電導(dǎo)體電阻大的原因。”
與傳統(tǒng)的電導(dǎo)體不同，這種拓撲邊緣路徑可以以接近零的能量耗散攜帶電流，這意味著拓撲晶體管可以比傳統(tǒng)電子設(shè)備消耗更少的能量。他們可能還需要更快地轉(zhuǎn)換。
該拓撲將形成晶體管的有源“溝道”組件，完成計算中使用的二進制運算，并在on (0)和off (1)之間切換。
埃德蒙茲博士解釋說：“這種新型開關(guān)的工作原理與當(dāng)今計算機中的晶體管完全不同?！拔覀冊O(shè)想，這種切換可以促進采用能耗更低的新計算技術(shù)?！?
電場引起從“拓撲”絕緣體到傳統(tǒng)絕緣體的量子躍遷。
要成為當(dāng)前硅基技術(shù)(CMOS)的可行替代方案，拓撲晶體管必須：
在室溫下操作(沒有昂貴的過冷)，
在導(dǎo)通(1)和非導(dǎo)通(0)之間“切換”，以及
通過施加電場，開關(guān)速度非?？?。"
雖然理論上已經(jīng)提出了一種可切換拓撲絕緣體，但在這個實驗中，這是第一次可以在室溫下切換材料，這對于任何可行的替代技術(shù)都非常重要。
(在這項研究中，實驗是在低溫下進行的，但測量的大帶隙證實了材料在室溫下會正常開關(guān)。)
信通技術(shù)能源使用、摩爾定律和“超越互補金屬氧化物半導(dǎo)體”解決方案
這項工作背后的第一個挑戰(zhàn)是，越來越多的能源被用于信息和通信技術(shù)，其中很大一部分是由轉(zhuǎn)型驅(qū)動的。
每一次晶體管開關(guān)，都會消耗少量的能量，這種能量在晶體管開關(guān)數(shù)萬億次，每秒數(shù)十億次后會增加。
多年來，更高效、更緊湊的CMOS(硅基)微芯片被用來控制指數(shù)級增長計算的能量需求——這與著名的“摩爾定律”有關(guān)。但隨著基本物理極限的臨近，摩爾定律即將終結(jié)，未來效率有限。
“信息技術(shù)革命改善了我們的生活，我們希望它能繼續(xù)下去，”邁克爾元首教授說。
“但隨著計算的不斷發(fā)展，為了滿足不斷變化的需求，我們需要更高效的電子產(chǎn)品?！?
"我們需要一種新型的晶體管，它在開關(guān)時消耗更少的能量."
"這一發(fā)現(xiàn)是邁向拓撲晶體管的一步，它可以改變計算領(lǐng)域."
計算的燃燒能源占全球用電量的8%。
信息和通信技術(shù)的能源使用每十年翻一番。
信息技術(shù)對氣候變化的貢獻與航空業(yè)同樣重要。
摩爾定律已經(jīng)控制了信息和通信技術(shù)的能量50年，這將在下一個十年結(jié)束。
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