拓?fù)浣^緣體的發(fā)展與分析

蔣佳

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心 湖北省 武漢市 4300470）

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，支配計(jì)算機(jī)領(lǐng)域長達(dá)44年之久的摩爾定律已經(jīng)逐漸失效。讓我們最為擔(dān)憂的是在摩爾定律之后計(jì)算機(jī)領(lǐng)域會發(fā)生怎樣的變革。我們可以通過從根本上改變芯片的涉及、尋找替代硅的新材料或者改變目前的計(jì)算框架。其中一種框架就是基于日前獲得2016年諾貝爾物理學(xué)獎的拓?fù)湎嘧兝碚摗Ｍ負(fù)浣^緣體就是拓?fù)洳牧系囊环N，其在量子計(jì)算機(jī)中具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。本文將重點(diǎn)關(guān)注拓?fù)浣^緣體器件在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用前景，從專利和期刊文獻(xiàn)的角度，對其發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行研究分析。

關(guān)鍵詞：拓?fù)浣^緣體；量子反常霍爾效應(yīng)；量子計(jì)算機(jī)；應(yīng)用發(fā)展

1.引言

拓?fù)湮飸B(tài)目前而言是一個(gè)內(nèi)容豐富并且蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，作為先驅(qū)者，索利斯、霍爾丹和科斯特利茲獲得諾貝爾物理學(xué)獎是實(shí)至名歸。最早索利斯和他的合作者提出采用“陳數(shù)”（華人數(shù)學(xué)家陳省身提出的概念）來理解量子霍爾效應(yīng)，隨后霍爾丹建立的量子反?；魻栃?yīng)模型則以巧妙的方式實(shí)現(xiàn)了非零陳數(shù)。然而這個(gè)模型一直未得到足夠的重視，直到近年來清華大學(xué)薛啟坤教授等課題組在磁性摻雜的拓?fù)浣^緣體和其它拓?fù)洳牧现械膶?shí)驗(yàn)中才被得以證實(shí)。

2.拓?fù)浣^緣體的理論發(fā)展

2004年Geim和Novoselov制備出單原子層的石墨烯，2005年Kane和Mele在單層石墨烯模型中引入自旋軌道耦合作用替代原先假想周期磁場，從而發(fā)現(xiàn)了與量子霍爾系統(tǒng)不同的時(shí)間反演不變拓?fù)浣^緣體，也稱作Z2拓?fù)浣^緣體[1]。張首晟通過其它理論獨(dú)立的提出了量子自旋霍爾效應(yīng)[2]。三維拓?fù)浣^緣體的體能帶在費(fèi)米能級處具有能隙，在其表面卻具有無能隙的表面態(tài)。這種表面態(tài)的能量-動量色散關(guān)系具有類似于石墨烯電子態(tài)的二維狄拉克錐形結(jié)構(gòu)。和石墨烯不同的是，這種表面態(tài)除了狄拉克點(diǎn)之外都是自旋極化的（如圖1c），因此有可能直接產(chǎn)生自旋相關(guān)的效應(yīng)，這為自旋電子學(xué)的發(fā)展提供了全新的思路。Z2拓?fù)浣^緣體概念的提出使得人們很快發(fā)現(xiàn)大量材料屬于這一類拓?fù)浣^緣體。這大大拓寬了拓?fù)洳牧虾托?yīng)的研究范圍，使得人們看到了拓?fù)浣^緣體在未來應(yīng)用的發(fā)展前景。

左圖箭頭表示電流方向，右圖箭頭表示自旋方向。

自旋量子霍爾效應(yīng)和霍爾效應(yīng)一樣，電子在塊體的邊界上游走?；魻栃?yīng)里電子在某一個(gè)邊界上只沿一個(gè)方向運(yùn)動（如圖1），但是在自旋量子霍爾效應(yīng)中，每一個(gè)邊界上有兩條邊界態(tài)構(gòu)成的能帶，每有一個(gè)（k，+）態(tài)，那么有一個(gè)另一個(gè)能帶上對應(yīng)的（-k，-）態(tài)，這里的+-代表自旋。因此電子同時(shí)具有沿著一個(gè)方向運(yùn)動，也有沿反方向運(yùn)動的。它們數(shù)目相等從而沒有凈電流，也就是沒有霍爾電導(dǎo)。但是這兩種沿不同方向傳導(dǎo)的電子的自旋方向相反，因此有凈自旋流，而且類似于霍爾效應(yīng)，這個(gè)自旋流的電導(dǎo)是量子化的，因此稱為自旋量子霍爾效應(yīng)。自旋量子霍爾效應(yīng)和量子霍爾效應(yīng)的區(qū)別就是，沒有外加磁場。如果有外加磁場體系的時(shí)間反演對稱性被破壞，這個(gè)時(shí)候自旋量子霍爾效應(yīng)不再存在。

自旋量子霍爾效應(yīng)體系材料則是拓?fù)浣^緣體中的一種。自旋量子霍爾效應(yīng)中每個(gè)邊界上有兩個(gè)邊界能帶，這兩個(gè)能帶的手性是一樣的，因此會出現(xiàn)自旋量子霍爾效應(yīng)，但是假設(shè)我們一個(gè)邊界上有四個(gè)能帶，其中兩個(gè)能帶的手性一樣，但是另兩個(gè)能帶的手性不一樣，那么此時(shí)沿邊界上一個(gè)方向走的電子自旋可以為正，也可以為負(fù)，兩者數(shù)目相等，相消。此時(shí)既沒有電流，也沒有自旋流。因此是另一種絕緣體。這兩種絕緣體的不同是由于它們能帶的拓?fù)湫再|(zhì)不同。這里所說的是就是二維拓?fù)涞那樾?。通俗來講就是塊體內(nèi)部的電子是絕緣態(tài)，而邊緣電子由于可以隧穿能帶間的帶隙，因而邊緣態(tài)是導(dǎo)電的。

3.拓?fù)浣^緣體在量子計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用發(fā)展

由著名物理學(xué)家費(fèi)曼于1982年在一個(gè)公開演講中提出了利用量子計(jì)算體系實(shí)現(xiàn)計(jì)算的新奇想法，并由英國物理學(xué)家杜斯于1985年提出量子圖靈機(jī)模型。2012年的諾貝爾物理學(xué)獎授予法國物理學(xué)家塞爾日·阿羅什和美國物理學(xué)家戴維·瓦恩蘭，以表彰他們在量子物理學(xué)方面的卓越研究。

清華大學(xué)于2012年12月21日申請的專利201210559480.6中提出一種包括磁性摻雜拓?fù)浣^緣體量子阱薄膜器件，薄膜的材料Cry（BixSb1-x）2-yTe3，其中Cr引入的空穴型載流子和Bi引入的電子型載流子相互抵消，從而宏觀上具有量子反?；魻栃?yīng)。

而在2013年麻省理工學(xué)院的科學(xué)家在《Nature Communications》上發(fā)表文章[3]，稱可以在特定條件下，將石墨烯轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浣^緣體，為量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)提供了新的思路。這表明石墨烯型拓?fù)浣^緣體在量子計(jì)算機(jī)中具有極大的潛在價(jià)值。

中科院物理研究所于2016年5月5日申請的專利201610291358.3中提出具有量子反常霍爾效應(yīng)的材料和由其形成的霍爾器件。器件包括拓?fù)浣^緣體基材，摻雜到基材中的三種元素分別引入電子型載流子、空穴型載流子和磁性，從而形成雙磁性摻雜拓?fù)浣^緣體。其中拓?fù)浣^緣體基材采用的是Sb2Te3材料。上述發(fā)現(xiàn)為低能耗的電子器件如晶體管的制造并最終促成全拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供了元器件基礎(chǔ)。

從最近的專利與文獻(xiàn)分析中可以看出，目前的研究重點(diǎn)主要集中在中美等科研強(qiáng)國，其從自然界存在的石墨烯到人工合成的拓?fù)洳牧?，再到各種基于拓?fù)浣^緣體的元器件都有一定的研究基礎(chǔ)。

4.結(jié)論

盡管拓?fù)浣^緣體以及量子反?；魻栃?yīng)的相關(guān)理論研究已經(jīng)日漸成熟，但是其在元器件上的應(yīng)用仍然具有十分長遠(yuǎn)發(fā)展。并且通過檢索發(fā)現(xiàn)在量子反?；魻栃?yīng)領(lǐng)域的發(fā)明專利的申請量非常少，由此可見，在可以預(yù)見的將來，拓?fù)浣^緣體以及量子反?；魻栃?yīng)的相關(guān)元器件專利布局的競爭將日趨激烈。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，在新一代計(jì)算機(jī)—量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)領(lǐng)域，我們還有很長的路要走。

參考文獻(xiàn)

[1] Kane C L， Mele E J， Quantum spin Hall effect in Graphene， Physical Review Letters， 95， 226801（2005）.

[2] Bernevig B A， Zhang S C， Quantum spin Hall effect， Physical Review Letters， 96， 106802（2006）.

[3] Nature Communications？3， Article？number：？982 （2012） doi：10.1038/ncomms1969.