蔣佳

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作湖北中心 湖北省 武漢市 4300470）

摘 要：隨著計算機技術的發(fā)展，支配計算機領域長達44年之久的摩爾定律已經逐漸失效。讓我們最為擔憂的是在摩爾定律之后計算機領域會發(fā)生怎樣的變革。我們可以通過從根本上改變芯片的涉及、尋找替代硅的新材料或者改變目前的計算框架。其中一種框架就是基于日前獲得2016年諾貝爾物理學獎的拓撲相變理論。拓撲絕緣體就是拓撲材料的一種，其在量子計算機中具有巨大的潛在應用價值。本文將重點關注拓撲絕緣體器件在量子計算機中的應用前景，從專利和期刊文獻的角度，對其發(fā)展脈絡進行研究分析。

關鍵詞：拓撲絕緣體；量子反?；魻栃?；量子計算機；應用發(fā)展

1.引言

拓撲物態(tài)目前而言是一個內容豐富并且蓬勃發(fā)展的領域，作為先驅者，索利斯、霍爾丹和科斯特利茲獲得諾貝爾物理學獎是實至名歸。最早索利斯和他的合作者提出采用“陳數(shù)”（華人數(shù)學家陳省身提出的概念）來理解量子霍爾效應，隨后霍爾丹建立的量子反常霍爾效應模型則以巧妙的方式實現(xiàn)了非零陳數(shù)。然而這個模型一直未得到足夠的重視，直到近年來清華大學薛啟坤教授等課題組在磁性摻雜的拓撲絕緣體和其它拓撲材料中的實驗中才被得以證實。

2.拓撲絕緣體的理論發(fā)展

2004年Geim和Novoselov制備出單原子層的石墨烯，2005年Kane和Mele在單層石墨烯模型中引入自旋軌道耦合作用替代原先假想周期磁場，從而發(fā)現(xiàn)了與量子霍爾系統(tǒng)不同的時間反演不變拓撲絕緣體，也稱作Z2拓撲絕緣體[1]。張首晟通過其它理論獨立的提出了量子自旋霍爾效應[2]。三維拓撲絕緣體的體能帶在費米能級處具有能隙，在其表面卻具有無能隙的表面態(tài)。這種表面態(tài)的能量-動量色散關系具有類似于石墨烯電子態(tài)的二維狄拉克錐形結構。和石墨烯不同的是，這種表面態(tài)除了狄拉克點之外都是自旋極化的（如圖1c），因此有可能直接產生自旋相關的效應，這為自旋電子學的發(fā)展提供了全新的思路。Z2拓撲絕緣體概念的提出使得人們很快發(fā)現(xiàn)大量材料屬于這一類拓撲絕緣體。這大大拓寬了拓撲材料和效應的研究范圍，使得人們看到了拓撲絕緣體在未來應用的發(fā)展前景。

左圖箭頭表示電流方向，右圖箭頭表示自旋方向。

自旋量子霍爾效應和霍爾效應一樣，電子在塊體的邊界上游走?；魻栃镫娮釉谀骋粋€邊界上只沿一個方向運動（如圖1），但是在自旋量子霍爾效應中，每一個邊界上有兩條邊界態(tài)構成的能帶，每有一個（k，+）態(tài)，那么有一個另一個能帶上對應的（-k，-）態(tài)，這里的+-代表自旋。因此電子同時具有沿著一個方向運動，也有沿反方向運動的。它們數(shù)目相等從而沒有凈電流，也就是沒有霍爾電導。但是這兩種沿不同方向傳導的電子的自旋方向相反，因此有凈自旋流，而且類似于霍爾效應，這個自旋流的電導是量子化的，因此稱為自旋量子霍爾效應。自旋量子霍爾效應和量子霍爾效應的區(qū)別就是，沒有外加磁場。如果有外加磁場體系的時間反演對稱性被破壞，這個時候自旋量子霍爾效應不再存在。

自旋量子霍爾效應體系材料則是拓撲絕緣體中的一種。自旋量子霍爾效應中每個邊界上有兩個邊界能帶，這兩個能帶的手性是一樣的，因此會出現(xiàn)自旋量子霍爾效應，但是假設我們一個邊界上有四個能帶，其中兩個能帶的手性一樣，但是另兩個能帶的手性不一樣，那么此時沿邊界上一個方向走的電子自旋可以為正，也可以為負，兩者數(shù)目相等，相消。此時既沒有電流，也沒有自旋流。因此是另一種絕緣體。這兩種絕緣體的不同是由于它們能帶的拓撲性質不同。這里所說的是就是二維拓撲的情形。通俗來講就是塊體內部的電子是絕緣態(tài)，而邊緣電子由于可以隧穿能帶間的帶隙，因而邊緣態(tài)是導電的。

3.拓撲絕緣體在量子計算機中的應用發(fā)展

由著名物理學家費曼于1982年在一個公開演講中提出了利用量子計算體系實現(xiàn)計算的新奇想法，并由英國物理學家杜斯于1985年提出量子圖靈機模型。2012年的諾貝爾物理學獎授予法國物理學家塞爾日·阿羅什和美國物理學家戴維·瓦恩蘭，以表彰他們在量子物理學方面的卓越研究。

清華大學于2012年12月21日申請的專利201210559480.6中提出一種包括磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜器件，薄膜的材料Cry（BixSb1-x）2-yTe3，其中Cr引入的空穴型載流子和Bi引入的電子型載流子相互抵消，從而宏觀上具有量子反?；魻栃?。

而在2013年麻省理工學院的科學家在《Nature Communications》上發(fā)表文章[3]，稱可以在特定條件下，將石墨烯轉變?yōu)橥負浣^緣體，為量子計算機的研發(fā)提供了新的思路。這表明石墨烯型拓撲絕緣體在量子計算機中具有極大的潛在價值。

中科院物理研究所于2016年5月5日申請的專利201610291358.3中提出具有量子反?；魻栃牟牧虾陀善湫纬傻幕魻柶骷?。器件包括拓撲絕緣體基材，摻雜到基材中的三種元素分別引入電子型載流子、空穴型載流子和磁性，從而形成雙磁性摻雜拓撲絕緣體。其中拓撲絕緣體基材采用的是Sb2Te3材料。上述發(fā)現(xiàn)為低能耗的電子器件如晶體管的制造并最終促成全拓撲量子計算機的實現(xiàn)提供了元器件基礎。

從最近的專利與文獻分析中可以看出，目前的研究重點主要集中在中美等科研強國，其從自然界存在的石墨烯到人工合成的拓撲材料，再到各種基于拓撲絕緣體的元器件都有一定的研究基礎。

4.結論

盡管拓撲絕緣體以及量子反?；魻栃南嚓P理論研究已經日漸成熟，但是其在元器件上的應用仍然具有十分長遠發(fā)展。并且通過檢索發(fā)現(xiàn)在量子反?；魻栃I域的發(fā)明專利的申請量非常少，由此可見，在可以預見的將來，拓撲絕緣體以及量子反?；魻栃南嚓P元器件專利布局的競爭將日趨激烈。路漫漫其修遠兮，在新一代計算機—量子計算機的研發(fā)領域，我們還有很長的路要走。

參考文獻

[1] Kane C L， Mele E J， Quantum spin Hall effect in Graphene， Physical Review Letters， 95， 226801（2005）.

[2] Bernevig B A， Zhang S C， Quantum spin Hall effect， Physical Review Letters， 96， 106802（2006）.

[3] Nature Communications？3， Article？number：？982 （2012） doi：10.1038/ncomms1969.