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2021年7月29日

中大工程學院研究團隊在納米機械拓撲絕緣體中發現新自由度
開拓新型電腦晶片研究方向

2021年7月29日
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具有附加軌道自由度的拓撲納米機械晶體示意圖。

孫賢開教授(左三)及其研究團隊。

拓撲絕緣體是近年廣被物理學界研究的一種新型量子材料,它對於基礎物理的理解及半導體器件的應用有很大價值。2016年的諾貝爾物理學獎便是由發現物質的拓撲相變和拓撲相的三位科學家共同獲得。香港中文大學(中大)電子工程學系孫賢開教授的團隊最近在納米機械拓撲絕緣體中發現了一個新的自由度,首次掌握晶片上對拓撲相的靈活操控,為未來製造新型電腦晶片等元器件提供了重要的基礎。這項研究已刊載於近期的國際權威雜誌《自然‧納米技術》(Nature Nanotechnology)。

拓撲絕緣體的內部是絕緣體,但它的邊界或表面存在導電的邊緣態。在材料內部,電子會圍繞晶格運動,與此同時也會圍繞自身高速旋轉,這兩種運動模式分別對應了電子的軌道和自旋兩種不同的基本屬性。傳統的拓撲絕緣體研究大多集中對電子自旋自由度的操控,以發掘其在低能耗元件(如量子電腦)的應用潛力,卻鮮有關於電子軌道自由度的研究。這是因為傳統拓撲絕緣體中的電子往往只能沿著固定的軌道運動。

中大團隊取得了根本性突破,在實驗上首次發現了具有軌道自由度的拓撲絕緣體。該方案可以用來構建具有任意軌道的拓撲絕緣體,並可以在光學和聲學平台上實現具有不同軌道的拓撲相之間的平穩轉化。因此,這可以實現許多具有非傳統功能的奇異的拓撲器件,如能夠自動繞過障礙而不產生反射的波導、對工藝誤差更加魯棒的可用於高靈敏度傳感器的諧振腔,從而推動具有更強功能和更大規模的拓撲集成迴路的發展,極大地擴展了實現拓撲絕緣體的靈活度,並為日後製造新型電腦晶片等元器件奠定了穩固的基礎。

孫賢開教授表示:「是次研究在納米機械平台上成功地實現了拓撲絕緣體,這一概念亦可以拓展到光學和聲學領域,用於抗背散射或背反射的信號傳輸,對構建無信號串擾的大規模集成電子、光子和聲子迴路尤為重要。研究成果對用於下一代互聯網的光通信系統以及下一代計算機的納米芯片技術將帶來深遠影響。」   

中大電子工程學系簡介 

中大電子工程學系由2009年諾貝爾物理學獎得主高錕教授於1970年成立。該系旨在培育學生,使他們成為電子工程領域的先驅,引導他們追求知識並提高電子工程各領域的水平,其中包括硬件、軟件以及從材料、器件、電路到系統及其應用等電子學設計核心範疇。該系現時有24名教授和教學人員、44名研究和技術支持人員,服務於257名本科生、139名攻讀博士及研究碩士學位的研究生以及36名攻讀授課碩士學位的研究生。



具有附加軌道自由度的拓撲納米機械晶體示意圖。

具有附加軌道自由度的拓撲納米機械晶體示意圖。

 

孫賢開教授(左三)及其研究團隊。

孫賢開教授(左三)及其研究團隊。

 

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