明尼苏达大学双城分校的一个研究小组首次合成了一种独特的拓扑半金属材料薄膜，这种材料有可能在大幅降低能耗的同时产生更强的计算能力和内存存储能力。此外，研究小组对这种材料进行了仔细研究，对其独特特性背后的物理学原理有了重要的认识。

这项研究最近发表在《自然-通讯》杂志上。

正如美国最近颁布的《CHIPS 和科学法案》所证明的那样，现在越来越需要增加半导体制造，并支持用于开发为各处电子设备提供动力的材料的研究。虽然传统半导体是当今大多数计算机芯片背后的技术，但科学家和工程师们一直在寻找能够以更少的能量产生更多能量的新材料，以使电子产品更好、更小、更高效。

这类新型改良计算机芯片的候选材料之一是一类被称为拓扑半金属的量子材料。这些材料中的电子具有不同的行为方式，使材料具有电子设备中使用的典型绝缘体和金属所不具备的独特性质。因此，人们正在探索将这些材料用于自旋电子器件中。自旋电子器件是传统半导体器件的替代品，它利用电子的自旋而不是电荷来存储数据和处理信息。

在这项新研究中，明尼苏达大学的一个跨学科研究小组成功合成了这样一种薄膜材料，并证明它具有高性能、低能耗的潜力。

论文资深作者、麦克奈特大学特聘教授、明尼苏达大学电气与计算机工程系罗伯特-哈特曼讲座教授王建平说："这项研究首次表明，利用磁性掺杂策略，可以从弱拓扑绝缘体过渡到拓扑半金属。我们正在寻找延长电子设备寿命的方法，同时降低能耗，我们正试图用非传统的、打破常规的方法来实现这一目标"。

多年来，研究人员一直在研究拓扑材料，但明尼苏达大学的研究团队是第一个使用获得专利、与工业兼容的溅射工艺来制造这种薄膜形式半金属的团队。Wang说，由于他们的工艺与工业兼容，这项技术可以更容易地被采用并用于制造现实世界中的设备。

"在我们的生活中，每天都在使用电子设备，从手机到洗碗机，再到微波炉。它们都使用芯片。一切都需要消耗能源，"该论文的资深作者、明尼苏达大学化学工程与材料科学系雷-约翰逊（Ray D. and Mary T. Johnson）讲座教授安德烈-姆霍扬（Andre Mkhoyan）说。"问题是，我们该如何最大限度地减少能源消耗？这项研究就是朝着这个方向迈出的一步。我们正在开发一类性能相似甚至更好，但能耗更低的新型材料"。

由于研究人员制造出了如此高质量的材料，他们还能够仔细分析其特性以及它的独特之处。

论文的资深作者、明尼苏达大学电气与计算机工程系保罗-帕姆伯格副教授托尼-刘（Tony Low）说："从物理学角度来看，这项工作的主要贡献之一是，我们能够研究这种材料的一些最基本特性。通常情况下，当你施加磁场时，材料的纵向电阻会增大，但在这种特殊的拓扑材料中，我们预测纵向电阻会减小。我们能够将我们的理论与测量到的传输数据相印证，并证实确实存在负电阻"。

十多年来，Low、Mkhoyan 和 Wang 一直在合作研究用于下一代电子器件和系统的拓扑材料--如果没有他们各自在理论和计算、材料生长和表征以及器件制造方面的专业知识的结合，这项研究是不可能实现的。"研究这样一个重要而又具有挑战性的课题，不仅需要鼓舞人心的远见卓识，还需要跨越四个学科的极大耐心和一群敬业的团队成员，这将有可能实现该技术从实验室到工业界的过渡，"Wang 说。