德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校物理學(xué)家的新基礎(chǔ)研究可能會加速推動更先進(jìn)的電子設(shè)備和更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。

科學(xué)家正在研究稱為拓?fù)浣^緣體的材料，其表面電性能基本上與內(nèi)部性質(zhì)相反。

“從內(nèi)部到外部，這些材料都是由同一種材料制成的，”UT達(dá)拉斯物理學(xué)助理教授FanZhang博士說。“但是，內(nèi)部不會傳導(dǎo)電子-它是絕緣體-而表面上的電子可以自由移動。因此，表面是導(dǎo)體，就像金屬一樣，但實(shí)際上它比金屬更堅(jiān)固?！?br/>
有兩種類型的拓?fù)浣^緣體：強(qiáng)和弱。它們之間的區(qū)別很微妙，涉及復(fù)雜的物理學(xué)，但卻非常重要。

“如果你的材料立方體是一個(gè)強(qiáng)大的拓?fù)浣^緣體，那么所有六個(gè)面都可以傳導(dǎo)電子，”張說?！皩τ谌跽?，只有四個(gè)邊是導(dǎo)電的，而頂面和底面保持絕緣?！?br/>
在理論上提出后，不久就通過實(shí)驗(yàn)制作了強(qiáng)大的拓?fù)浣^緣體。張說，它們在自然界中很常見，已經(jīng)確定了幾十種變異并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

另一方面，弱拓?fù)浣^緣體更難以捉摸?？茖W(xué)家已經(jīng)提出了各種方法來構(gòu)建一個(gè)弱的拓?fù)浣^緣體，但由于其獨(dú)特的性質(zhì)，研究人員無法明確地說他們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)制作了一個(gè)。

理論物理學(xué)家張先生設(shè)計(jì)了一種制造弱拓?fù)浣^緣子的新方法，這種絕緣子涉及兩種化學(xué)元素的相對簡單的混合物：由鉍與碘或溴組合而成的晶體。他和他的同事最近在“物理評論快報(bào)”雜志上發(fā)表了這項(xiàng)研究，并在3月份的美國物理學(xué)會會議上介紹了他們的工作。

張說，在20世紀(jì)70年代，德國科學(xué)家生長了碘化鉍和溴化鉍，但他們并不了解它們作為弱拓?fù)浣^緣體的潛力。

“我們提出的這類材料是一個(gè)獨(dú)特的平臺，可以用相當(dāng)簡單的化學(xué)方法探索奇異物理，”他說?！巴ㄟ^進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)，我們的研究結(jié)果可以帶來技術(shù)的重大進(jìn)步，特別是在電子和量子計(jì)算方面。”

導(dǎo)電材料是傳統(tǒng)晶體管的基本構(gòu)件，其為包括手機(jī)和計(jì)算機(jī)在內(nèi)的電子設(shè)備供電。研究人員正在利用創(chuàng)新的物理和材料開發(fā)新的理論和實(shí)驗(yàn)，以創(chuàng)造新的晶體管技術(shù)，運(yùn)行設(shè)備并使計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大。

張說，具有這種奇特的電氣特性，拓?fù)浣^緣體提供了一種潛在的選擇。

他說：“我們的生活已經(jīng)被我們對電子傳導(dǎo)的理解以及對這種物理技術(shù)的利用在電子設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了修改?！薄拔覀儸F(xiàn)在需要徹底改變晶體管。一種可能的替代方案是所謂的拓?fù)鋱鲂?yīng)晶體管，它可以由薄的拓?fù)浣^緣體薄膜制成?！?br/>
計(jì)算機(jī)也正在進(jìn)行基本的重新設(shè)計(jì)，張的研究可能有助于這些努力。

“基本的計(jì)算規(guī)?，F(xiàn)在非常有限，”他說?！皩τ谠S多應(yīng)用，如天氣預(yù)報(bào)和信息編碼和解碼，今天的計(jì)算機(jī)速度太慢。但是，已經(jīng)提出量子計(jì)算機(jī)將使用量子物理學(xué)的原理以比當(dāng)今計(jì)算機(jī)更快的速度計(jì)算。

“弱拓?fù)浣^緣體可以使量子計(jì)算變得可行?！?br/>
作為一個(gè)理論家，張用老式的鉛筆和紙來構(gòu)建他的鉍化合物理論的基礎(chǔ)。他的博士后研究員劉成成博士是該研究的主要作者，現(xiàn)在是北京理工大學(xué)的助理教授，然后在位于德克薩斯州UT奧斯汀的德克薩斯高級計(jì)算中心使用高速超級計(jì)算機(jī)測試了具體的數(shù)字。

張的UT達(dá)拉斯同事，物理學(xué)助理教授BingLv博士已經(jīng)制作了碘化鉍樣品。

“下一步將是描述材料的特征，以探索弱拓?fù)浣^緣體可以為基礎(chǔ)物理學(xué)和我們的日常生活提供的獨(dú)特屬性，”張說。

除了Zhang和Liu之外，該研究的其他作者還有加州理工學(xué)院的Jin-JianZhou博士和北京理工大學(xué)的YuguiYao。