新開發量子電晶體具備全新電子效應

　　美國麻省理工學院(MIT)的研究人員開發出一種新型的電晶體，利用具有所謂“量子自旋霍爾效應”的材料，能夠制造出新型的拓撲場效電晶體(TFET)。這項研究結果已經透過德州先進運算中心(TACC)的超級電腦得到了證實。

　　根據最近才剛加入德州農工大學(Texas A&M University)，在新成立的材料科學系擔任助理教授的授錢曉峰表示，“我們發現，在厚度僅3個原子的平面層進行沈積時，結晶晶格將會發生一種新的電子效應——我們可稱其為量子自旋霍爾效應(Hall effect)。”

　　當電場關閉時，透過簡單地施加一個沿著材料邊緣導電的垂直電場(如圖示的紅色交叉線)，可以開啟與關閉2D過渡金屬二硫屬化物(TMDC)的拓撲相位。當電場開啟時，紅色交叉線斷開，在原子價與TMDC導電帶之間出現黑色間隙，顯示邊緣不再導電。

　　德州農工大學材料科學與工程學系助理教授錢曉峰

　　利用像 TMDC 等大量散裝的拓撲材料，研究人員們可在其頂部和底部進行沈積，但這種材料的內部是絕緣體。因此，錢曉峰及其他的研究人員們發現，當削薄至僅3個原子層厚時，僅在邊緣具有導電性。更重要的是，透過施加一個垂直電場后，這種導電性還可以加以切換——透過閘極開啟和關閉，就像普通的 FET 一樣。更難得的是，制造出這種 TFET 自旋電子元件后，其電子導電性會根據自旋特性沿著邊緣以不同的方向進行。

　　“更重要的是，電子會以一個方向向上自旋流動，而其他的電子則在相反方向向下旋轉流動。因此，透過控制注入的帶電載流子，可以開發出一種自旋的電晶體，”錢曉峰強調。

　　2D拓撲絕緣體單層只在邊緣才具有導電性。圖中頂部與底部紫色部份之間存在黑色間隙?？v橫交錯的紅色線條用于彌補這一間隙。紅色線條表示材料的邊緣狀態，可讓電子穿過間隙實現導電性。

　　除了錢曉峰以外，研究團隊成員還包括MIT在拓撲相位與2D材料方面的專家——Ju Li、Liang Fu與Junwei Liu，以及TACC的超級電腦專家，在其 Stampede 與 Lonestar 超級電腦上執行維也納大學開發的Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)運算套件，協助他們證實研究的結果。

　　2D氮化硼(灰色部份)材料組成的量子電晶體示意圖。在頂部的矩形“閘極”施加電場時，可開關切換中間層(黃色部份)的量子狀態。被切換區域的邊緣可作為完美的量子線，從而實現具有低損耗的新型電子元件。

　　下一步，研究團隊們打算尋找在室溫下具有相同或類似特性的新材料。他們已經將理論報告提交給幾個實驗室，期望可在其他實驗室中打造新的 TFET 。藉由結合 TFET 與超級電腦，研究人員們希望實現“馬約拉納費米子”(Majorana fermion)零模式——拓撲量子運算的關鍵。

　　“在 2D 材料研究領域充滿著各種機會與可能性。我們不只應該研究石墨烯，在 2D 材料方面也存在許多機會。我們期望在不久的將將來能將2D材料導入實際應用中。”這項研究的資金是由美國能源署(DoE)和美國國家科學基金會(NSF)提供的。