晶体管是现代集成电路的基本单元，它们通过电子传输实现逻辑运算。但这一过程往往伴随着能量的损耗，这些损耗以焦耳热的形式释放，成为阻碍微纳电路性能提升的一大难题。近年来，科学家们发现了一类独特的拓扑材料，特别是具有受到拓扑保护的边缘态的陈绝缘体，它们在理论上支持电子单向且无损耗地传输，具有鲁棒的量子化输运及零电阻特性，有望突破热耗散带来的性能瓶颈，被视为解决热瓶颈问题并实现“无耗散”输运的理想平台。自2013年我国科学家团队首次实验实现了零磁场下的陈绝缘体——量子反常霍尔绝缘体（Science 340, 167 (2013)）以来，国内外在相关材料生长和器件制备领域取得了显著的进展，预示着拓扑系统在无耗散电子学领域将具有巨大的应用潜力，有望对未来信息电路产生深远的影响。

然而，最新的实验研究（Nature 575, 628 (2019)）却出乎意料地观测到了拓扑相中的能量耗散现象，从而对拓扑材料“天然无耗散”的传统认知提出了严峻挑战。因此，拓扑量子器件中能量耗散的产生机制、如何判断耗散是否产生、以及如何从原理上设计无耗散的拓扑量子器件成为了亟待解决的科学问题。

近日，复旦大学理论物理与信息科学交叉中心江华教授、谢心澄院士等紧密合作，探索拓扑器件的耗散机制，并寻求创新的设计策略以实现无耗散的电子学应用。相关研究成果分别以“量子极限下的能量耗散”（Emergent energy dissipation in quantum limit）和 “无耗散拓扑电子学的原则”（Rules for dissipationless topotronics）为题发表于《科学通报》(Science Bulletin)和《科学进展》(Science Advances) 。

当拓扑器件进入量子极限时，其电输运信号——包括霍尔电阻、纵向电阻以及两端接触电阻——均展现出量子化特征。他们发现，即使在这种极限状态下，器件内部仍可能出现能量耗散。基于对边缘重构的石墨烯量子霍尔体系的研究，他们提出了量子极限下能量耗散的微观机制：在存在散射势的情况下，电子会在由边缘重构引发的手性通道间发生散射。值得注意的是，这种散射并非“背散射”，因此不会增加额外的两端电阻。然而，散射后的电子会由平衡态进入非平衡态，并在随后的弛豫过程中，重新进入平衡状态。在此过程中，电子的能量在器件内部以焦耳热的形式耗散。理论和数值模拟表明，在实际样品中，该能量耗散会导致局部温度上升。通过测量局域温度的变化，实验上能够真实地观测到拓扑器件内部的能量耗散现象。

图1: （a）六端霍尔器件示意图；（b）在量子霍尔平台区域，两端电阻量子化；（c）量子极限下，器件内部能量耗散机制；（d）拓扑系统内部能量耗散的空间分布.

针对无耗散拓扑器件的实际应用需求，研究团队深入探索了拓扑电子器件能否实现无耗散的判据。基于上述微观机制，如果注入模式（）、透射模式（）和背散射模式（）的数量相互匹配，，确保器件内部所有参与模式之间的平衡，则器件内部将无耗散；反之则有耗散。该无耗散判据有助于对现有拓扑器件进行分类，区分无耗散器件和有耗散器件。此外，研究指出，要满足无耗散的判据，必须利用高陈数的陈绝缘体，并进一步提出了构建无耗散拓扑功能器件的新策略。基于上述原则，研究团队还提出了拓扑分流器、拓扑集束器等无耗散器件的设计实例。  

图2: 无耗散拓扑器件判据示意图

北京大学量子材料科学中心博士后李海龙为 “量子极限下的能量耗散”（Emergent energy dissipation in quantum limit）这一工作的第一作者; 北京大学量子材料科学中心博士后闫青、李海龙为 “无耗散拓扑电子学的原则”（Rules for dissipationless topotronics）这一工作的共同第一作者。系列工作中，复旦大学理论物理与信息科学交叉中心江华教授和谢心澄院士为共同通讯作者，北京大学量子材料科学中心孙庆丰教授为重要合作者。  

图3: 有耗散拓扑分流器(A和B)；无耗散拓扑分流器(C和D)

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、科技创新2030—“量子通信与量子计算机”重大项目、中国科学院战略性先导科技专项及中国博士后科学基金的大力支持。  

相关论文：  

https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.03.024   

https://doi.org/10.1126/sciadv.ado4756