第一个实现拓扑集肤效应的量子半导体器件的示意图。电子沿边缘流动（蓝色圆圈）确保了无与伦比的鲁棒性，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的发展取得了突破。
半导体器件是管理当代电子产品中电子运动的小型组件。它们对于为各种高科技产品提供动力至关重要，包括手机、笔记本电脑和车辆传感器，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动，导致不稳定。
但现在，来自维尔茨堡-德累斯顿卓越集群ct.qmat（量子物质中的复杂性和拓扑学）的理论和实验物理学家已经开发出一种由铝-镓-砷化物（AlGaAs）制成的半导体器件。该装置的电子流通常容易受到干扰，受到拓扑量子现象的保护。这项开创性的研究最近在受人尊敬的《自然物理学》杂志上进行了详细介绍。
“由于拓扑趋肤效应，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行业的吸引力越来越大。它们消除了对极高材料纯度的需求，而这种需求目前推高了电子制造的成本，“德累斯顿莱布尼茨固体和材料研究所（IFW）理论固体物理研究所所长、ct.qmat的首席研究员Jeroen van den Brink教授解释说。
拓扑量子材料以其出色的鲁棒性而闻名，非常适合功率密集型应用。“我们的量子半导体既稳定又高精度，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
利用拓扑趋肤效应可以实现新型的高性能电子量子器件，这些器件也可以非常小。“我们的拓扑量子器件直径约为0.1毫米，可以轻松进一步缩小，”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这一成就的开创性之处在于，他们是第一个在半导体材料中微观尺度上实现拓扑集肤效应的人。这种量子现象最初是在三年前在宏观层面上得到证明的，但只是在人造超材料中，而不是在自然材料中。因此，这是首次开发出一种基于半导体的微型拓扑量子器件，该器件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。即使半导体材料中存在杂质，电流也能保持稳定，“van den Brink解释道。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特别适合制造具有微小直径的高精度传感器和放大器。
创新实验带来发现
通过创造性地在AlGaAs半导体器件上布置材料和触点，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剔除，”van den Brink解释道。物理团队采用了二维半导体结构。触点的布置方式使得可以在接触边缘测量电阻，从而直接揭示拓扑效应。
不同地点的联合研究
自 2019 年以来，ct.qmat 一直在维尔茨堡和德累斯顿研究拓扑量子材料，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。在IFW构思的新量子装置是维尔茨堡大学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。在法国生产后，该设备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，旨在将其用于未来的技术创新。
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