在过去的十年里，令人兴奋的是，两年前获得诺贝尔物理学奖认可的发现有两种绝缘体：不导电的普通绝缘体和拓扑绝缘体——新发现的只在边缘导电的材料。

现在，澳大利亚莫纳什大学的FLEET研究人员通过施加电场，首次成功地在两种物质状态之间“切换”了物质。这是创造功能拓扑晶体管的第一步——提出新一代超低功耗电子器件。

拓扑晶体管等超低能耗电子设备将允许计算继续增长，而不受可用能量的限制，因为我们已经接近传统硅基电子设备所能实现的改进的终点(摩尔定律的终点现象)。

研究作者迈克尔富尔教授解释说：“超低能量拓扑电子学是应对现代计算能量日益增长的挑战的潜在解决方案。”

“信息和通信技术(ICT)消耗了全球8%的电力，这种情况每十年翻一番。”

这项新研究是实现功能拓扑晶体管目标的重大进展。

工作原理：拓扑材料和拓扑晶体管

拓扑绝缘体是一种新型材料，其内部是电绝缘体，但可以沿其边缘传输电流。

“在这些边缘路径中，电子只能朝一个方向移动，”主要作者马克埃德蒙兹博士解释道。“这意味着将不会有‘反向散射’，而这正是传统电导体产生电阻的原因。”

与传统电导体不同，这种拓扑边缘路径可以以接近零的能量耗散承载电流，这意味着拓扑晶体管比传统电子设备消耗的能量更少。他们可能还需要更快地转换。

该拓扑将形成晶体管的有源“沟道”组件，完成计算中使用的二进制运算，并在on (0)和off (1)之间切换。

埃德蒙兹博士解释说：“这种新型开关的工作原理与当今计算机中的晶体管完全不同。”“我们认为，这种转换可以促进采用能耗更低的新计算技术。”

电场引起从“拓扑”绝缘体到传统绝缘体的量子转变。

要成为当前硅基技术(CMOS)的可行替代方案，拓扑晶体管必须：

在室温下操作(没有昂贵的过冷)，

导通(1)和非导通(0)之间的“切换”,以及

通过施加电场，转换速度非常快。"

虽然理论上已经提出了可开关拓扑绝缘体，但这是第一次实验证明该材料可以在室温下开关，这对任何可行的替代技术都是必不可少的。

(本研究中实验在低温下进行，但测得的大带隙证实了材料在室温下会正常开关。)

ICT能源使用、摩尔定律和“超越CMOS”解决方案

这项工作背后的主要挑战是信息和通信技术(信通技术)中能源使用的增加，其中很大一部分是由转换驱动的。

晶体管每开关一次，都会消耗少量的能量，而这种能量会随着晶体管的万亿次开关和每秒数十亿次开关而增加。

多年来，更高效、更紧凑的CMOS(硅基)微芯片被用来控制指数级增长的计算的能源需求——这与著名的摩尔定律有关。但随着基本物理极限的临近，摩尔定律即将终结，未来效率有限。

“信息技术革命改善了我们的生活，我们希望它能继续下去，”迈克尔富尔教授说。

“但随着计算的不断发展，我们需要更高效的电子产品来满足不断变化的需求。”

"我们需要一种新型的晶体管，在开关时消耗更少的能量."

"这一发现向拓扑晶体管迈进了一步，拓扑晶体管可以改变计算领域."

计算出的燃烧能源占全球电力消耗的8% 2。

ICT能源使用每十年翻一番。

信息技术对气候变化的贡献与航空业一样重要。

摩尔定律控制了信息和通信技术的能量50年，它将在未来十年结束。