近日，beat365官方网站量子材料科學中心謝心澄院士課題組與複旦大學理論物理與信息科學交叉中心江華教授、beat365官方网站量子材料科學中心孫慶豐教授合作，探索拓撲器件的耗散機制，并提出了創新的設計策略，實現了無耗散的拓撲電子學器件設計。相關研究成果以“無耗散拓撲電子學的原則”（Rules for dissipationless topotronics）為題，于2024年6月5日發表于《科學進展》(Science Advances)。
晶體管是現代集成電路的基本單元，它們通過電子傳輸實現邏輯運算。但這一過程往往伴随着能量的損耗，這些損耗以焦耳熱的形式釋放，成為阻礙微納電路性能提升的一大難題。
近年來，科學家們發現了一類獨特的拓撲材料，特别是具有受到拓撲保護的邊緣态的陳絕緣體，它們在理論上支持電子單向且無損耗地傳輸，具有魯棒的量子化輸運及零電阻特性，有望突破熱耗散帶來的性能瓶頸，被視為解決熱瓶頸問題并實現“無耗散”輸運的理想平台。自2013年我國科學家團隊首次實驗實現了零磁場下的陳絕緣體——量子反常霍爾絕緣體（Science 340, 167 (2013)）以來，國内外在相關材料生長和器件制備領域取得了顯著的進展，預示着拓撲系統在無耗散電子學領域将具有巨大的應用潛力，有望對未來信息電路産生深遠的影響。然而，最新的實驗研究（Nature 575, 628 (2019)）卻出乎意料地觀測到了拓撲相中的能量耗散現象，從而對拓撲材料“天然無耗散”的傳統認知提出了嚴峻的挑戰。因此，拓撲量子器件中能量耗散的産生機制、如何判斷耗散是否産生、以及如何從原理上設計無耗散的拓撲量子器件成為了亟待解決的科學問題。
謝心澄院士團隊在前期研究中發現，當拓撲器件達到量子極限時，即使其電輸運信号（霍爾電阻、縱向電阻和兩端接觸電阻）表現出量子化特性，内部仍可能出現能量耗散。基于石墨烯量子霍爾體系的研究，他們提出了量子極限下能量耗散的微觀機制：在散射勢下，電子在邊緣重構引發的手性通道間散射（非背散射），不增加兩端電阻，散射後的電子從平衡态進入非平衡态，再通過弛豫回歸平衡态。在此過程中，電子的能量以焦耳熱形式耗散（Science Bulletin 69， 1221 (2024)）。這一耗散機制表明電輸運信号的量子化不能作為判斷拓撲器件是否有耗散的判據。
圖1: （A）無耗散拓撲器件判據示意圖；（B）普通金屬不滿足無耗散判據，有耗散；（C）單一均質陳絕緣體滿足判據，無耗散；（D）不滿足判據的拓撲異質結，器件内部有能量耗散（E）；F滿足判據的拓撲異質結，器件内部無能量耗散（G）。
針對無耗散拓撲器件的實際應用需求，研究團隊深入探索了拓撲電子器件能否實現無耗散的判據。該判據凝練成了一個簡單的數學表達式：Nin=Ntunl+Nbs，其中Nin代表連接源極（高化學勢）的輸運模式數、Ntunl代表從源極出發透射到漏極（低化學勢）的輸運模式數、Nbs代表從源極出發背散射返回到源極的輸運模式數。如果注入模式（Nin）、透射模式（Ntunl）和背散射模式（Nbs）的數量相互匹配，确保器件内部所有參與模式之間的平衡，則器件内部将無耗散；反之則有耗散。
根據無耗散器件的判據，研究團隊系統地分析了普通金屬和拓撲系統中能量耗散的發生原因。在普通金屬中，由于背散射過程無法避免，額外的背散射通道為能量弛豫提供了機會, Nin<Ntunl+Nbs，破壞了無耗散判據。在單一均質的拓撲材料中，背散射過程被完全抑制，Nin=Ntunl且Nbs=0，滿足無耗散判據，故原理上可以實現無耗散。然而，在拓撲異質結中，即使沒有背散射通道，額外的透射通道也可以為能量弛豫提供機會，即Nin<Ntunl且Nbs=0。此時，無耗散判據不再成立，器件内部出現能量耗散。
為了設計功能化的拓撲器件，拓撲異質結的應用顯得尤為重要。針對此，研究團隊提出了構建無耗散功能器件的新策略：1）遵循無耗散判據；2）采用高陳數陳絕緣體。基于上述原則，研究團隊進一步提出了拓撲分流器、拓撲集束器等無耗散器件的設計範例。在實驗探索層面，基于陳絕緣體的三端拓撲分流器件已經被成功制備。盡管現有器件不滿足無耗散條件，數值計算結果也表明器件内部有耗散，但基于無耗散原則的指導，通過極小的設計改動和優化，該器件便能夠實現真正的無耗散拓撲分流功能。
圖2: （A）實驗已實現的拓撲分流器，(Nin, Ntunl, Nbs)=(2,3,0)破壞了無耗散判據，器件内部有耗散（B）；（C）理論提出的無耗散拓撲分流器，(Nin, Ntunl, Nbs)=(2,2,0)滿足無耗散判據，器件内部無耗散（D）。
在拓撲電子學功能化和應用化的發展趨勢中，無耗散判據的提出具有雙重意義：它不僅有助于對當前拓撲器件進行分類，明确區分無耗散器件和有耗散器件，還為未來拓撲器件的設計和優化提供了重要的理論指導。
該工作中，beat365官方网站量子材料科學中心博士後闫青和博雅博士後李海龍（入選中國博士後創新人才支持計劃）為共同第一作者。江華教授和謝心澄院士為共同通訊作者，孫慶豐教授為重要合作者。上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、科技創新2030—“量子通信與量子計算機”重大項目、中國科學院戰略性先導科技專項及中國博士後科學基金的大力支持。
相關論文：
https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.03.024
https://doi.org/10.1126/sciadv.ado4756
