量子现象的电控制可以改善未来的电子设备
一种可以方便地改变某些量子材料中电子流方向的新电气方法可能会对下一代电子设备和量子计算机的开发产生影响。宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员在表现出量子反常霍尔(QAH)效应的材料中开发并演示了这种方法，这种现象是电子沿着材料边缘流动不会损失能量的现象。该团队在今天(10 月 19 日) 《自然材料》杂志上发表的一篇论文中描述了这项工作。
Henry W. Knerr 早期职业教授和教授 Cui-Zu Chang 表示：“随着电子设备变得越来越小，计算需求越来越大，找到提高信息传输效率的方法变得越来越重要，其中包括电子流的控制。”宾夕法尼亚州立大学物理学副教授和该论文的共同通讯作者。“QAH 效应很有前景，因为电子沿着材料边缘流动时不会产生能量损失。”
2013年，张首次通过实验证明了这种量子现象。表现出这种效应的材料被称为 QAH 绝缘体，它是一种拓扑绝缘体——一层只有几十个原子厚的薄膜——已被制成磁性，因此它们只在其边缘传导电流。由于电子在一个方向上干净地传播，因此这种效应被称为无耗散效应，这意味着能量不会以热的形式损失。
“在 QAH 绝缘体中，材料一侧的电子沿一个方向移动，而另一侧的电子则沿相反方向移动，就像双车道高速公路一样，”Chang 说。“我们早期的工作展示了如何扩大 QAH 效应，本质上是创建一条多车道高速公路以实现更快的电子传输。在这项研究中，我们开发了一种新的电气方法来控制电子高速公路的传输方向，并为这些电子提供一种立即掉头的方法。”
研究人员制造了一种具有特定、优化性能的 QAH 绝缘体。他们发现，向 QAH 绝缘体施加 5 毫秒的电流脉冲会影响材料的内部磁性，并导致电子改变方向。改变方向的能力对于优化量子技术中的信息传输、存储和检索至关重要。与当前的电子学不同，当前的电子学中数据以开或关(一或零)的二进制状态存储，而量子数据可以同时存储在一系列可能的状态中。改变电子的流动是写入和读取这些量子态的重要一步。
宾夕法尼亚州立大学物理学教授兼通讯作者 Chao-Xing Liu 表示：“以前切换电子流方向的方法依赖外部磁铁来改变材料的磁性，但在电子设备中使用磁铁并不理想。”的纸张。“笨重的磁铁对于智能手机等小型设备来说并不实用，而且电子开关通常比磁性开关快得多。在这项工作中，我们找到了一种方便的电子方法来改变电子流的方向。”
研究人员之前优化了 QAH 绝缘体，以便他们可以利用系统中的物理机制来控制其内部磁性。
“为了使这种方法有效，我们需要增加施加电流的密度，”刘说。“通过缩小 QAH 绝缘体器件，电流脉冲产生非常高的电流密度，从而改变磁化方向以及电子传输路径的方向。”
研究人员表示，量子材料中从磁控制到电子控制的转变类似于传统内存存储中发生的转变：而原始硬盘和软盘上的信息存储涉及使用磁铁来创建磁体。现场和写入数据，较新的“闪存”，例如 USB 驱动器、固态硬盘和智能手机中使用的闪存，都是以电子方式写入的。MRAM 等有前景的扩大内存容量的新技术同样依赖于与内磁相关的物理机制。
除了实验演示之外，研究团队还提供了对其方法的理论解释。
该团队目前正在探索如何暂停电子在其路径上——从本质上打开和关闭系统。他们还在研究如何在更高温度下证明 QAH 效应。
“这种效应以及当前对量子计算机和超导体的要求，需要接近绝对零的非常低的温度，”张说。“我们的长期目标是在技术上更相关的温度下复制 QAH 效应。”
除了Chang和Liu之外，进行这项研究时宾夕法尼亚州立大学的研究团队还包括博士后研究员Wei Yuan、Yang Wang和Hemian Yi;研究生周令杰、杨凯杰、赵一凡、张若曦、严子杰、卓德毅、梅若冰;Morteza Kayyalha，电气工程助理教授;和摩西·陈 (Moses Chan)，埃文·皮尤大学 (Evan Pugh University) 物理学名誉教授。
陆研究办公室、空科学研究办公室和国家科学基金会 (NSF) 资助了这项研究。美国国家科学基金会资助的宾夕法尼亚州立大学纳米科学材料研究科学与工程中心以及戈登和贝蒂摩尔基金会的 EPiQS 计划提供了额外的支持。
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