科學家創造出世界上首個「量子半導體」 體積更小且少干擾

編譯／高晟鈞

從手機、筆記型電腦到電動汽車和尖端醫療設備，半導體晶片可謂是所有電子產品的心臟，很大程度上決定了電子產品的性能。然而，一點點材料雜質與溫度變化都可能干擾電子流動，進而影響電子元件的穩定性。

德國的研究團隊近期開發了一種由鋁鎵砷（AlGaAs）製成的半導體裝置，透過結合拓樸量子技術，成功地避免了電子流動干擾的現象。

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量子拓樸材料與集膚效應

拓樸材料由於特殊的性質，在邊界上會攜帶自旋流；既然提到自旋流，又怎麼離得開量子領域呢?

前文提到，許多外在因素都會影響電子的流動，趨膚效應（Skin Effect）則被用來解釋交流電在導體中分布的趨勢，趨膚效應會減少導體的有效截面積，導致有效電阻增加（電力轉換效率降低）。而拓樸材料特殊的性質，能使半導體無視集膚效應；這意味著所有電流都能在量子半導體的接觸表面上，免受雜質或其他外部因素的干擾。

精確、堅固、穩定

透過拓樸集膚效應（Topological Skin Effect），我們將能實現更高性能、更小的量子電子設備。作者Jeroen van den Brink透露，他們的拓樸量子設備直徑將只有100微米，甚至還能再進一步縮小。

「在我們的量子設備中，電流-電壓關係受到拓樸集膚效應的保護。因為電子被限制在邊緣，所以即使半導體材料中存在雜質，電流也能保持穩定。」Jeroen說道。

這也是人們首次在半導體材料中實現了微觀尺度的拓樸集膚效應，並且還是在天然超材料，而非人造超材料中。這種高度穩定、高度靈敏的微型量子半導體拓樸裝置，象徵了拓樸電子元件的一個重要里程碑，有望為未來結合電子、量子領域奠定扎實的基礎。

資料來源：ScitechDaily

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