物理学家创造了一种强大且超灵敏的拓扑量子装置真相究竟是什么？

来自德累斯顿和维尔茨堡的量子物理学家取得了重大突破。他们创造了一种半导体器件，量子现象确保了卓越的鲁棒性和灵敏度。这种拓扑趋肤效应保护了设备的功能免受外部扰动的影响，从而实现了前所未有的精度测量。这一显著的进步源于铝-镓-砷化物材料上触点的巧妙排列。它释放了拓扑物理中高精度量子模块的潜力，使这些材料成为半导体行业的焦点。

这些发现发布在《自然物理学》上，标志着一个重要的里程碑。

半导体器件是控制现代电子设备中电子流的微型开关元件。它们为无处不在的高科技产品提供动力，如手机、笔记本电脑和汽车传感器，以及最先进的医疗设备。然而，材料杂质或温度变化会破坏电子的流动，导致不稳定。

但现在，来自维尔茨堡-德累斯顿卓越集群ct.qmat-量子物质的复杂性和拓扑学的理论和实验物理学家已经开发了一种铝-镓-砷化物的半导体器件。该器件的电子流通常容易受到干扰，但受到拓扑量子现象的保护。

“由于拓扑趋肤效应，量子半导体上不同触点之间的所有电流都不受杂质或其他外部扰动的影响。这使得拓扑器件对半导体行业的吸引力越来越大。它们消除了对目前推高电子制造成本的极高材料纯度的需求，“德累斯顿莱布尼茨固体和材料研究所理论固体物理研究所所长、ct.qmat的首席研究员Jeroen van den Brink教授解释道。

拓扑量子材料以其卓越的鲁棒性而闻名，非常适合功率密集型应用。“我们的量子半导体既稳定又高度准确，这是一种罕见的组合。这使我们的拓扑器件成为传感器工程中令人兴奋的新选择。

利用拓扑趋肤效应可以制造出新型的高性能电子量子器件，这些器件也可能非常小。

“我们的拓扑量子器件直径约为0.1毫米，可以很容易地进一步缩小，”van den Brink透露。

来自德累斯顿和维尔茨堡的物理学家团队取得这一成就的开创性方面是，他们是第一个在半导体材料中实现微观尺度拓扑趋肤效应的人。这种量子现象最初是在三年前在宏观层面上得到证明的，但只是在人造超材料中，而不是自然材料中。因此，这是首次开发出一种基于半导体的微型拓扑量子器件，该器件既具有高度鲁棒性又具有超灵敏性。

“在我们的量子器件中，电流-电压关系受到拓扑趋肤效应的保护，因为电子被限制在边缘。即使半导体材料中存在杂质，电流也能保持稳定，“van den Brink 解释道。他继续说道：“此外，触点甚至可以检测到电流或电压的最轻微波动。这使得拓扑量子器件特别适合制造直径极小的高精度传感器和放大器。

通过创造性地在AlGaAs半导体器件上布置材料和触点，在超冷条件和强磁场下诱导拓扑效应，取得了成功。“我们真的把拓扑趋肤效应从设备中哄出来了，”van den Brink解释道。物理团队采用了二维半导体结构。触点的排列方式可以测量触点边缘的电阻，从而直接揭示拓扑效应。

自 2019 年以来，ct.qmat 一直在维尔茨堡和德累斯顿研究拓扑量子材料，探索它们在超低温、高压或强磁场等极端条件下的非凡行为。

最近的突破也是该集群两个地点的科学家之间持续合作的结果。在IFW构思的新型量子装置是维尔茨堡大学的理论物理学家以及德累斯顿的理论和实验研究人员的共同努力。在法国生产后，该设备在德累斯顿进行了测试。Jeroen van den Brink和他的同事们现在致力于进一步探索这一现象，旨在将其用于未来的技术创新。