雷竞技苹果版拓扑材料击败玻尔兹曼暴政:超越计算能耗下限b| ARC未来低能耗电子技术卓越中心

理论研究证实，拓扑晶体管将打破波尔特曼暴政，即工作能量的下限

新的FLEET研究证实了拓扑材料在大幅降低计算能耗方面的潜力。雷竞技苹果版

来自伍伦贡大学、莫纳什大学和新南威尔士大学的FLEET研究人员的合作在一项理论研究中表明，使用拓扑绝缘体而不是传统的半导体来制造晶体管可以将栅极电压降低一半，每个晶体管使用的能量降低四倍。

为了实现这一目标，他们必须找到一种方法来克服著名的“玻尔兹曼暴政”，该暴政规定了晶体管开关能量的下限。

他们发现了一个令人惊讶的结果:施加在拓扑绝缘体上的栅极电压可以产生一个比电压本身乘以电子电荷更大的电子流屏障，这是以前认为不可能的结果。

ARC未来低能耗电子技术卓越中心(FLEET)的使命是减少信息和计算技术(ICT)不可持续的能源负荷，目前消耗约10%的全球电力。

iPhone 5核心的邮票大小的芯片有大约10亿个晶体管。

计算机芯片包含数十亿个晶体管——执行计算机基本开关操作的微小电子开关。

今天单个晶体管的直径只有5纳米(百万分之五毫米)。

晶体管使用施加在“栅极”电极上的电压来接通和切断在“源极”和“漏极”之间流动的电流。每次晶体管打开和关闭时，用来给栅极充电的能量就被浪费掉了。一台典型的计算机有数十亿个晶体管，每秒开关数十亿次，加起来会产生大量的能量。

传统的晶体管是由半导体制成的，这种材料具有“带隙”，即电子被禁止进入的能量范围。施加到栅极上的电压的作用是移动这个禁止能量的范围，以允许(“开”状态)或阻止(“关”状态)进入的电子从源移动到漏的能量。

在一个理想的晶体管中，施加在栅极上的1伏电压会使被1电子伏阻挡的能量范围向上移动。

晶体管需要多大的阻挡才能正常工作?

问题是，在有限的温度下，来自源的电子的能量本质上是“模糊的”，所以总是有一些电子具有足够高的能量来越过势垒。这种“泄漏”电流导致能源浪费。

基本的热力学考虑要求将电流减少10倍，需要在室温下将势垒提高约60毫电子伏特。但要避免通过漏电流浪费能量要求电流减小到原来的10万倍或者一个大约300毫伏电子的势垒，这需要至少300毫伏的栅极电压。

这个最小栅极电压对开关能量有一个较低的限制。

这被称为“玻尔兹曼暴政”，以路德维希·玻尔兹曼的名字命名，他描述了温度对粒子能量的影响。

玻尔兹曼的专横被认为限制了晶体管的工作栅极电压可以有多小，不管它是由什么材料制成的。

主要作者，伍伦贡大学FLEET博士生Muhammad Nadeem

FLEET的研究人员很好奇是否可以使用不同的效应来制造晶体管中电子流的屏障。

在某些材料中，电场可以改变带隙的大小。他们想知道，施加在栅极上的电压所产生的电场是否可以用来扩大带隙，并对电子形成屏障。答案是肯定的，但对于典型的材料，这种效应并不能打败玻尔兹曼的暴政:1伏特的栅极仍然只能产生不大于1电子伏特的势垒。

研究人员决定研究一种叫做拓扑绝缘体的特殊材料，这种材料的带隙实际上是负的。

“薄(二维)拓扑绝缘体在其内部绝缘，但沿其边缘导电，”主要作者穆罕默德·纳迪姆(伍伦贡大学)解释说。“在这种状态下，它们可以像晶体管的‘开’状态一样工作，电流通过导电边缘携带。”

“拓扑绝缘体的带隙也可以被电场改变，”纳迪姆说。“当它变为正极时，材料不再是拓扑绝缘体，不再具有导电边缘，就像普通半导体一样，带隙充当电子流的屏障('关闭'状态)。”

然而，研究小组发现，与常规半导体不同，拓扑绝缘体中带隙(以电子伏特计)的增加可能大于施加在栅极上的电压(以伏特计)，这打破了玻尔兹曼的暴政。

“合适的拓扑材料可以在雷竞技苹果版类似的传统晶体管的一半电压下切换，而只需要四分之一的能量，”联合研究者Dimi Culcer(新南威尔士大学)说。

铋是一种单原子厚度的铋原子层，是拓扑晶体管的另一种候选材料

许多挑战依然存在。这项研究目前只是理论上的。合作研究者王晓林(UOW)说:“一些候选材料，如铋，一种单原子厚度的铋层，排列成蜂窝状结构，才刚刚开始在实验室研究，还没有被制成晶体管。”

其他材料仍在设计阶段，目前还不知道如何合成它们。“然而，”合作研究者Michael Fuhrer(莫纳什大学)说，“FLEET的研究人员正在努力制造这些新材料，对它们进行表征，并将它们整合到电子设备中。”

利用拓扑量子场效应克服晶体管中的玻尔兹曼暴政发表于纳米快报2021年3月(DOI 10.1021/acs.nanolet .1c00378)

这项研究是由伍伦贡大学、新南威尔士大学和莫纳什大学的FLEET研究人员合作进行的。