图示实现拓扑趋肤效应的第一个量子半导体器件。沿着边缘的电子流(蓝色圆圈)确保了无与伦比的坚固性，尽管材料变形或其他外部扰动。这种量子半导体标志着微型拓扑电子器件发展的一个突破。来源:Christoph M?der/pixelwg

　　半导体器件是现代电子设备中控制电子运动的小部件。它们对于为各种高科技产品供电至关重要，包括手机、笔记本电脑、车辆传感器以及尖端医疗设备。然而，材料杂质的存在或温度的变化会干扰电子流，导致不稳定。

　　但是现在，来自

　　茨堡-德累斯顿卓越集群的理论和实验物理学家。qmat-Complexity and Topology in Quantum Matter已经开发了一种由砷化铝镓(AlGaAs)制成的半导体器件。这种装置的电子流，通常容易受到干扰，被拓扑量子现象保护。这项开创性的研究最近详细发表在受人尊敬的《自然物理学》杂志上。

　　“由于拓扑集肤效应，量子半导体上不同触点之间的所有电流都不受杂质或其他外部扰动的影响。这使得拓扑器件对半导体工业越来越有吸引力。它们消除了目前推高电子制造成本的极高材料纯度的需求，”德累斯顿莱布尼茨固态和材料研究所(IFW)理论固体物理研究所所长、cqmat首席研究员Jeroen van den Brink教授解释说。

　　拓扑量子材料以其卓越的鲁棒性而闻名，非常适合于功率密集型应用。“我们的量子半导体既稳定又高度精确——这是一种罕见的组合。这使我们的拓扑器件成为传感器工程中令人兴奋的新选择。”

　　极其坚固和超精确

　　利用拓扑趋肤效应，新型的高性能电子量子器件也可以非常小。“我们的拓扑量子器件直径约为0.1毫米，并且可以轻松地进一步缩小，”van den Brink透露。来自德累斯顿和维尔茨堡的物理学家团队取得的这一成就的开创性方面是，他们首先在半导体材料的微观尺度上实现了拓扑趋肤效应。三年前，这种量子现象最初在宏观层面上得到了证明，但只是在人工超材料上，而不是在自然材料上。因此，这是第一次开发出一种微小的、基于半导体的拓扑量子器件，它既具有高度鲁棒性，又具有超灵敏度。

　　“在我们的量子器件中，电流-电压关系受到拓扑趋肤效应的保护，因为电子被限制在边缘。即使在半导体材料中有杂质的情况下，电流也保持稳定，”van den Brink解释说。他继续说道:“此外，触点甚至可以检测到电流或电压的最轻微波动。这使得拓扑量子器件非常适合制造高精度传感器和小直径放大器。”

　　创新实验带来发现

　　通过创造性地排列AlGaAs半导体器件上的材料和触点，在超冷条件和强磁场下诱导拓扑效应，取得了成功。“我们真的把拓扑趋肤效应从设备中去除了，”van den Brink解释道。物理小组采用了二维半导体结构。触点的排列方式可以测量触点边缘的电阻，从而直接揭示拓扑效应。

　　联合研究在不同地区

　　自2019年以来，ct。qmat一直在研究w

　　茨堡和德累斯顿的拓扑量子材料，探索它们在超低温、高压或强磁场等极端条件下的非凡行为。

　　最近的突破也是该集群两个地点的科学家持续合作的结果。这个新的量子装置是在IFW构想出来的，是来自Universit?t w

　　rzburg的理论物理学家以及德累斯顿的理论和实验研究人员共同努力的结果。该装置在法国生产后，在德累斯顿进行了测试。Jeroen van den Brink和他的同事们现在致力于进一步探索这一现象，旨在利用它进行未来的技术创新。

　　参考文献:“多终端量子霍尔器件中的非厄米拓扑”，作者:Kyrylo Ochkan, Raghav Chaturvedi, Viktor K?nye, Louis Veyrat, Romain Giraud, Dominique Mailly, Antonella Cavanna, Ulf Gennser, Ewelina M. Hankiewicz, Bernd bchner, Jeroen van den Brink, Joseph Dufouleur和Ion Cosma Fulga, 2024年1月18日，Nature Physics。DOI: 10.1038 / s41567 - 023 - 02337 - 4