有了拓撲絕緣體,手機再也不需充電了?

2021-01-20 電子工程專輯

據dailymail報導，中日科學家在拓撲絕緣體上做起了文章，他們發現了一種新的充電方式，可以在在室溫下直接產生電流，不僅不需要外部充電，更不會造成能量損耗。

我們在初中物理課本上學過，按照導電性質的不同，材料可分為導體和絕緣體兩大類。


而更進一步，根據電子態的拓撲性質的不同，它還可以進行更細緻的劃分。而拓撲絕緣體是一類非常特殊的絕緣體，從理論上分析，這類材料的體內的能帶結構是典型的絕緣體類型，在費米能處存在著能隙，然而在該類材料的表面則總是存在著穿越能隙的狄拉克型的電子態，因而導致其表面總是金屬性的，也就是說，該材料的鐵磁特性(或高磁化係數)能夠產生電流，更重要的是，它不會造成能量的損失。

實際上早在20世紀80年代，科學家就發現了「量子霍爾效應」，在低溫和大磁場環境下，電流在不流失能量的情況下實現在邊界運動。

而最近的研究顯示，科學家採用了鐵磁性拓撲絕緣體（如鉍銻碲三元化合物）來實現更普適性的應用。

日本廣島大學教授Kimura表示，希望這一成果能應用於室溫下，這也是他們選擇上述材料進行實驗的原因。

充電技術的研發實際上也不是一個新鮮話題了，以色列公司StoreDot在2014年研發了一款超級充電器原型，30秒內能夠為手機充滿電。它使用了一種名叫Nanodots的技術，內部是由有機納米晶體構成，這些納米晶體具有超級能量儲存能力，據當時的報導稱，此產品將於今年晚些時候問世。至於我們是否能迎來真正的「快充」甚至是「免充」時代，還請拭目以待。

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相關焦點

  • 拓撲絕緣體簡介
    1　量子霍爾效應和量子自旋霍爾效應1879年，Hall發現了霍爾效應；1980年，von Klitzing在矽的金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET)中首次觀測到整數量子霍爾效應(QHE)，霍爾電導σxy=ne2/h (n 是整數) 是量子化的，σxy對樣品的大小、形狀、載流子密度甚至遷移率均不敏感，這說明存在某種內在的不變量。
  • 磁性二階拓撲絕緣體
    在此基礎上，他們進一步提出了二階拓撲絕緣體材料的搜尋方案，並以Bi/EuO材料為例做了系統的理論計算研究。以下著重討論二維體系。對於二維時間反演不變的一階拓撲絕緣體，其一維的邊緣上會出現無能隙的拓撲邊緣態，通常表現為兩條能帶的線性交叉，其交點位於邊界布裡淵區的時間反演不動點處。這樣線性交叉的邊緣態可以用一維狄拉克方程來描述。這時，可引入磁場，破壞時間反演對稱性。
  • 物理所關聯拓撲絕緣體和關聯拓撲晶體絕緣體研究獲進展
    拓撲絕緣體是當前凝聚態物理的研究熱點之一。這類材料不同於傳統的「金屬」和「絕緣體」，其體內為有能隙的絕緣態，而表面則是無能隙的金屬態。這種金屬表面態是由內在電子結構的拓撲性質決定的，受時間反演不變性的保護，因而受缺陷、雜質等外界影響較小。目前發現的和實驗研究的拓撲絕緣體大部分是半導體材料，電子間的關聯效應很小，理論分析較為簡單。
  • 物理史上首份「拓撲圖鑑」,鋪平科學家尋找拓撲絕緣體之路
    想像一種電阻值不受長度、橫截面積影響的導體；想像一臺放在你桌面的量子計算機；想像一種甚至不靠電流傳遞電信號的元件——這些就是拓撲材料在我們生活中的潛在應用。但是，由於涉及到對能級計算、對性質的構想，尋找新的拓撲絕緣體通常是一個艱苦的過程。
  • 最大能隙拓撲絕緣體
    拓撲絕緣體因存在奇異的導電的表面態，近年來在科學界引起了極大的關注。二維的拓撲絕緣體在邊緣態存在一維金屬態，可以表現出自旋量子霍爾效應，故又稱為量子自旋霍爾絕緣體[4]。二維的拓撲絕緣體在邊緣態是背散射禁止的[4]，因此電阻比較小。在時間反演對稱性不被破壞的情況下，二維拓撲絕緣體在邊緣態承載無電流的自旋流(圖1(a))，有望作為自旋電子器件材料。
  • 新拓撲絕緣體有可預測的最大能隙
    原標題：新拓撲絕緣體有可預測的最大能隙 美國猶他大學的研究人員創建出一種新的拓撲絕緣體，其可作為矽半導體頂部金屬層的特殊材料，將使超高速計算機在室溫下執行快速運算成為可能。該項研究成果刊登在近日美國《國家科學院學報》上。
  • 內稟磁性拓撲絕緣體的實驗實現
    內稟磁性拓撲絕緣體的實驗實現 　　拓撲絕緣體是一類由時間反演對稱性保護的拓撲物態，因此是非磁性的。有意思的是，人們在拓撲絕緣體中期待的新奇量子效應之中的相當一部分需要引入磁有序破壞其時間反演對稱性才能出現。
  • 一種新的量子材料--拓撲絕緣體
    拓撲絕緣體就是根據這樣的新標準而劃分的區別於其他普通絕緣體的一類絕緣體。因而，拓撲絕緣體的體內與人們通常認識的絕緣體一樣，是絕緣的，但是在它的邊界或表面總是存在導電的邊緣態，這是它有別於普通絕緣體的最獨特的性質。
  • 拓撲絕緣體研究獲進展
    該論文第一作者，現為杜克大學博士後的楊可松解釋說，這項工作的原始思想是尋找一種簡易並有效的方法從海量電子結構資料庫中尋找拓撲絕緣體。他們通過定義負能隙表徵反轉能帶結構以識別拓撲絕緣體，並通過分析自旋軌道耦合的物理本質,進而發現拓撲絕緣體在能帶反轉點（動量空間）的能隙差值（非自旋軌道耦合和自旋軌道耦合計算之間的差值，ΔEk）隨著晶格參數的略微變化近乎不變或者變化相對較小。
  • 拓撲晶體絕緣體的拓撲超導電性研究獲得進展
    拓撲超導體在體內具有全開的超導能隙，在表面具有無能隙的拓撲表面態。理論預言，在拓撲超導體磁通渦旋中能夠形成Majorana零能模，其具有非阿貝爾統計特性，適合用於構建拓撲量子比特，有望實現可容錯的拓撲量子計算。所以，拓撲超導體是目前一個非常熱門的前沿研究領域。拓撲絕緣體的拓撲表面態受時間反演對稱性保護，而拓撲晶體絕緣體的拓撲表面態受晶體對稱性保護。
  • 祁曉亮: 我的拓撲絕緣體之路
    從這篇論文開始，我開始在張首晟老師的指導下，一步步走入拓撲絕緣體這個全新的領域。在這個領域中，拓撲學和簡單的絕緣體物理的結合即將帶來許多奇妙的新發現。期間，我在張老師指導下系統地研究了拓撲絕緣體的物理性質，並進一步把拓撲絕緣體推廣到拓撲超導體等新的拓撲量子態。 　　當時，我們研究的一個主要目的是要找到拓撲絕緣體之所以區別於其他材料的獨特性質。經過半年多的努力，我和張老師以及張老師的學生休斯（Taylor L. Hughes）終於從拓撲絕緣體的微觀理論中得到了正確的拓撲量子場論描述。
  • 拓撲絕緣體的一個新突破
    但有一種神奇的材料，它的內部是絕緣的，界面卻是可以導電的，這種材料被稱為拓撲絕緣體。自發現以來，拓撲絕緣體一直是凝聚態物理的研究熱點。 拓撲絕緣體的能帶示意圖。通常絕緣體的導帶（conduction band）與價帶（valence band）之間存在能隙，電子無法傳導，而在拓撲絕緣體的表面存在一些位於能隙間的量子態——拓撲表面態（topological surface state），允許電子傳導。
  • 黃銅礦中存大量拓撲絕緣體材料
    拓撲絕緣體是一種新奇的量子物態，具有絕緣體和導體雙重特性，通過引入超導序和鐵磁序，拓撲絕緣體可能在量子計算機和自旋電子學等領域有著潛在的廣泛應用。然而要實現這些應用，首先需要尋找性能優良的拓撲絕緣體材料。當前被實驗證實的拓撲絕緣體材料種類和數量還非常有限，受實際生長條件、特別是如何與當前的半導體工藝匹配等問題的限制，在這些材料中實現上述應用仍是相當困難的。
  • 拓撲絕緣體的邊緣無損耗傳導
    半金屬二碲化鎢的原子薄層沿著晶體邊緣的狹窄的一維通道無損傳導電，因此，這種材料是一種二階拓撲絕緣體。通過獲得這種行為的實驗證明，巴塞爾大學的物理學家們擴大了拓撲超導候選材料庫。這一發現已經發表在《Nano Letters》雜誌上。拓撲絕緣體代表了一個關鍵的研究領域，因為它們有可能被用作未來電子學中的超導體。
  • 【中國科學報】何珂:探秘拓撲絕緣體
    「當前在拓撲絕緣體材料研究中，理論預言了很多非常有趣的量子力學現象，但如何在實驗中得到實現和證實，還有很多工作要做。我們所做的就是瞄準這個領域最主要的問題，這有可能為未來的信息科學、能量傳輸等行業提供發展契機。」
  • 取出拓撲絕緣體表面態
    所謂拓撲絕緣體，即體態是絕緣體，只是這種絕緣體的能帶結構是拓撲非平庸的。此時，其與真空接觸的表面就必然呈現一種金屬態，且這種表面態具有兩支自旋手性相反的通道，它們各自呈現線性色散關係。因此，拓撲表面態通常具有極高的載流子遷移率，如圖2(a) 所示。這一圖像由圖2(b)顯示的ARPES結果反覆證實。於是，物理人很傲嬌地告訴您：吾有一立方，其體不導電，其表無阻抗！大概就是這個意思吧。
  • 拓撲絕緣體,為什麼內部是絕緣體不導電,只能在表面導電?
    博科園：本文為物理學類拓撲學領域或對表面在不同維度上如何表現的研究最主要的例子是拓撲絕緣體，它只在表面導電，而在內部完全絕緣。拓撲絕緣子的行為類似於金屬，即表面上的銀，但在內部，它的行為就像玻璃。這些屬性是使用電子的導電性或流動來定義的，這些電子描述了它們的運動是否有高速公路或路障。拓撲絕緣體未來應用的一個主要驅動因素是自旋電子器件領域。因為這些電子一致的自旋，所有電子都在表面流動時彼此對齊。
  • 拓撲絕緣體研究取得重要進展
    本報訊 日前，在中國科學院、國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃和國際科技合作計劃的支持下，中國科學院物理研究所、北京凝聚態物理國家實驗室博士張海軍，研究員戴希、方忠所在的T03組在拓撲絕緣體的研究方向上取得重要突破。
  • 中國科學家:光子無定形拓撲絕緣體
    拓撲絕緣體是一種內部絕緣、界面允許電荷移動的材料。在拓撲絕緣體的內部，電子能帶結構和常規的絕緣體相似，其費米能級位於導帶和價帶之間。在拓撲絕緣體的表面存在一些特殊的量子態，這些量子態位於塊體能帶結構的帶隙之中，從而允許導電。
  • 進展|本徵磁性拓撲絕緣體研究進展
    近十幾年來，拓撲絕緣體已經成為凝聚態物理領域的一個重要研究方向。對於Z2拓撲絕緣體，其拓撲性質受到時間反演對稱性的保護。如果將Z2拓撲絕緣體的時間反演對稱性破壞，會形成一類新的拓撲態，即磁性拓撲絕緣體。