鐳射觸發特性的發現向先進的量子計算機和高速、低功耗裝置邁進了一步

未來可能超越摩爾定律的電晶體可能依賴於一種叫做“拓撲物質”的奇異材料，在這種材料中，電流只在表面流動，幾乎沒有能量耗散。現在，新的發現表明，這些特殊的拓撲材料可能有一天會在高速、低功耗電子和量子計算機中得到應用。也就是說，科學家們最近發現，他們可以利用鐳射束的爆炸來開啟這些奇異的電子特性。

拓撲物質表明，未來電子產品的執行可能幾乎沒有損失，這意味著它們可能比傳統的矽基電子產品消耗更少的能量，執行速度更快。現在，研究人員有了迄今為止最直接的證據，證明光可以操縱這些奇怪但不可思議的拓撲特性。

科學家們研究了五碲化鋯(ZrTe5)，它根據其拓撲結構具有非凡的電子特性。拓撲學是數學的一個分支，研究形狀的哪些方面可以不受變形的影響。例如，一個形狀像甜甜圈的物體可以變形成杯子的形狀，甜甜圈上的洞形成了杯子把手上的洞，但它不能被推或拉成沒有洞的形狀，否則就會把物體撕成碎片。

研究人員利用拓撲的洞察力，在2007年開發出了第一個電子拓撲絕緣體。沿著這些材料的邊緣或表面快速移動的電子受到“拓撲保護”，這意味著它們會強烈抵制任何可能阻礙它們流動的擾動，就像甜甜圈會抵制任何可能移除其孔洞的變化一樣。

拓撲保護可以保護電路不受外界干擾，這使得它們不僅對高速、低功耗電子裝置具有潛在的吸引力，而且對理論上可以證明比任何超級計算機都更強大的量子計算機也具有吸引力。量子計算機所依賴的量子力學效應——疊加和糾纏——非常脆弱，科學家們希望拓撲保護能夠保護量子計算機免受中斷。

先前的研究發現，五氟化鋯是一種被稱為狄拉克半金屬的拓撲材料，這意味著它可以擁有幾乎不耗散的電流。這使得它類似於石墨烯薄片。但與那些單原子厚度的材料不同，五氟化鋯的三維特性至少可以消除一些處理二維材料的棘手問題。

在這項新的研究中，研究人員分析瞭如果他們使用太赫茲鐳射器來扭曲五氟化鋯的晶格會發生什麼。他們發現，光可以在物質內部觸發巨大的拓撲保護電流，其中的電子錶現得像所謂的韋爾費米子，即帶電荷的無質量粒子。總而言之，五氟化鋯中的電子可以以大約光的三分之一的速度移動，最遠可達10微米。(相比之下，傳統電子中電子運動的實際速度要慢得多。)

科學家們指出，與使用電場或磁場相比，用光來開啟這些幾乎不耗散的巨大電流可能要快得多，也更節能。這種策略也可以在接近室溫的溫度下執行，而不是像其他技術一樣需要低溫。

“我們發現近dissipationless電流控制的光為實現提供了視角轉換技術應用在量子計算、感測、和通訊在當前技術限制,”資深科學家Ames實驗室在愛荷華州和愛荷華州立大學的物理學家。

研究人員現在計劃看看他們能否將這一發現擴充套件到其他材料上。他們還想延長這些拓撲保護的光觸發電流的持續時間。

“拓撲材料”五碲化鋯(zrte5)的光誘導特性