明尼蘇達大學雙城分校的研究小組首次合成了一種獨特的拓撲半金屬材料薄膜，這種材料有可能在大幅降低能耗的同時產生更強的運算能力和記憶體儲存能力。此外，研究團隊對這種材料進行了仔細研究，對其獨特特性背後的物理學原理有了重要的認識。

這項研究最近發表在《自然-通訊》雜誌。

正如美國最近頒布的《CHIPS 和科學法案》所證明的那樣，現在越來越需要增加半導體製造，並支持用於開發為各處電子設備提供動力的材料的研究。雖然傳統半導體是當今大多數電腦晶片背後的技術，但科學家和工程師一直在尋找能夠以更少的能量產生更多能量的新材料，以使電子產品更好、更小、更有效率。

這類新型改良電腦晶片的候選材料之一是一類被稱為拓樸半金屬的量子材料。這些材料中的電子具有不同的行為方式，使材料具有電子設備中使用的典型絕緣體和金屬所不具備的獨特性質。因此，人們正在探索將這些材料用於自旋電子裝置。自旋電子裝置是傳統半導體裝置的替代品，它利用電子的自旋而不是電荷來儲存資料和處理資訊。

在這項新研究中，明尼蘇達大學的跨學科研究小組成功合成了這樣一種薄膜材料，並證明它具有高性能、低能耗的潛力。

論文資深作者、麥克奈特大學特聘教授、明尼蘇達大學電氣與計算機工程系羅伯特-哈特曼講座教授王建平說：”這項研究首次表明，利用磁性摻雜策略，可以從弱拓撲絕緣體過渡到拓撲半金屬。我們正在尋找延長電子設備壽命的方法，同時降低能耗，我們正試圖用非傳統的、打破常規的方法來實現這一目標”。

多年來，研究人員一直在研究拓撲材料，但明尼蘇達大學的研究團隊是第一個使用專利、與工業相容的濺射工藝來製造這種薄膜形式半金屬的團隊。Wang說，由於他們的製程與工業相容，這項技術可以更容易地被採用並用於製造現實世界中的設備。

“在我們的生活中，每天都在使用電子設備，從手機到洗碗機，再到微波爐。它們都使用晶片。一切都需要消耗能源，”論文的資深作者、明尼蘇達大學化學工程與材料科學系雷-約翰遜（Ray D. and Mary T. Johnson）講座教授安德烈-姆霍揚（Andre Mkhoyan）說。”問題是，我們該如何最大限度地減少能源消耗？這項研究就是朝著這個方向邁出的一步。我們正在開發一類性能相似甚至更好，但能耗更低的新型材料”。

由於研究人員製造出如此高品質的材料，他們也能夠仔細分析其特性以及它的獨特之處。

論文的資深作者、明尼蘇達大學電機與計算機工程系保羅-帕姆伯格副教授托尼-劉（Tony Low）說：”從物理學角度來看，這項工作的主要貢獻之一是，我們能夠研究這種材料的一些最基本特性。通常情況下，當你施加磁場時，材料的縱向電阻會增大，但在這種特殊的拓撲材料中，我們預測縱向電阻會減少。我們能夠將我們的理論與測量到的傳輸資料相印證，並證實確實存在負電阻”。

十多年來，Low、Mkhoyan 和Wang 一直在合作研究用於下一代電子裝置和系統的拓撲材料——如果沒有他們各自在理論和計算、材料生長和表徵以及裝置製造方面的專業知識的結合，這項研究是不可能實現的。”研究這樣一個重要而又具有挑戰性的課題，不僅需要鼓舞人心的遠見卓識，還需要跨越四個學科的極大耐心和一群敬業的團隊成員，這將有可能實現該技術從實驗室到工業界的過渡，”Wang 說。