三十多年來，科學家們一直在努力開發室溫超導體——即在沒有笨重、耗能的超冷卻的情況下，能夠以零電阻導電的材料。現在，研究人員預測，一種名為錫烯的新材料，由一層原子厚的錫組成，其作用可能很像室溫超導體，從而帶來更快、更高效的微晶片。
錫烯是一種拓撲絕緣體，是一種過去十年引起研究人員興趣的新型材料。雖然這種材料的內部是電絕緣體，但外部邊緣和表面卻具有導電性。如果運用得當，拓撲絕緣體的這種奇特特性可以使電子無電阻地流動。
要理解這一點，需要解釋一下電子在拓撲絕緣體中的移動方式。像帶有南北極的微型旋轉條形磁鐵一樣，電子在材料中移動時會發生自旋。當電子在拓撲絕緣體的表面和邊緣移動時，它們的自旋方向會與流動方向對齊。這種效應——被稱為量子自旋霍爾態——的一個結果是，流動的電子不容易反轉方向。即使它們撞到材料內部的雜質，也是如此——在普通導體中，這種事件會導致電子向後散射並耗散能量。
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當電子沿著三維拓撲絕緣體的表面移動時，它們通常不會向後彈，但它們仍然可以互相側向推擠，從而浪費能量。但在二維拓撲絕緣體中——即只有一層原子厚的表面——流動的電子會被限制在單條通道中，從而消除所有干擾。最近的實驗證實，電子可以以 100% 的效率沿著平面拓撲絕緣體的邊緣快速移動。
在過去的十年中，研究人員已經用富含電子的重元素（包括汞、鉍、銻、碲和硒）的化合物製成了拓撲絕緣體。它們中沒有一種能在室溫下完美導電。然後，斯坦福大學的理論物理學家張首晟及其同事決定研究錫，這是一種同樣富含電子的重元素。該團隊的計算表明，單原子層的錫是拓撲絕緣體，電子可以在室溫及以上溫度下完美流動。
在單層錫原子（灰色）中新增氟原子（黃色）應該可以使預測的新材料錫烯在其邊緣（藍色和紅色箭頭）在高達 100 攝氏度的溫度下完美導電。這種錫烯-氟組合的第一個應用可能是在連線微處理器多個部分的佈線中，使電子的流動像高速公路上的汽車一樣輕鬆。
圖片來源：清華大學的徐勇/Greg Stewart/SLAC 提供
“它能在如此高的溫度下工作，這令人驚訝，”張首晟說。“多年來，科學家們一直在尋找無耗散的電力傳輸，但通常我們發現的系統只能在極端條件下工作，要麼是非常低的溫度，要麼是非常強的磁場。”科學家們在 9 月 27 日的《物理評論快報》雜誌上線上詳細介紹了他們的發現。
“這項工作的好處在於，他們展示了你可以擁有一種單元素材料，它是一種拓撲絕緣體，”加州大學洛杉磯分校的物理學家王康說，他沒有參與這項研究。“這使得一切都變得簡單得多。”
儘管錫烯和超導體都可以像完美的導體一樣導電，但張首晟強調，錫烯不是超導體。雖然錫烯的邊緣充當電子的高速公路，但當電子在錫烯和普通導體之間移動時，仍然會遇到“接觸電阻”。相比之下，在超導體中，電子以成對形式移動，這種現象可以消除接觸電阻。換句話說，當一個普通導體與超導體接觸時，它實際上就像一個超導體。
張首晟說，錫烯和相關材料可以用於連線微晶片的許多部分的佈線，從而提高其速度並降低其功耗。“我希望錫烯可以取代矽，”張首晟說。“錫便宜、豐富、穩定且環保。”
王康解釋說，自 2005 年以來，計算機的中央處理單元 (CPU) 的速度一直被限制在約 3 千兆赫，這是因為電子裝置中能量耗散的方式。如果它們執行得更快，熱量將使裝置不堪重負。“最大限度地減少能量耗散可以改善所有電子裝置，”王康說。
張首晟說，未來的研究人員可以調整錫烯以提高其效能。例如，新增氟原子可以使錫烯在高於 100 攝氏度的溫度下讓電子輕鬆流動。
這些發現仍需要實驗證實，並且錫烯原子級的薄而脆弱的層可能難以製造。“然而，值得注意的是，在拓撲絕緣體領域，迄今為止的每一個理論預測都已實現，”張首晟說。