德国科学家首次构建出纳米电子元件基本要素

德国维尔茨堡大学劳伦斯·莫伦康普教授领导的团队利用其开发的汞碲(HgTe)量子阱，首次成功构建了一个纳米电子元件基本要素——量子点接触(QPC)。这项成果发表在最近出版的《自然·物理学》杂志上。

拓扑绝缘体材料性能独特，电流仅沿其表面或边缘流动，而材料内部则具有绝缘性。莫伦康普教授于2007年首次通过实验证明了这种拓扑条件。他的团队成功开发了汞碲(HgTe)量子阱。利用这些新颖的材料，有望开发出新一代电子元件。

量子点接触是二维结构中的准一维压缩，导电态仅位于边缘的HgTe拓扑量子阱中，并在量子点接触处空间组合。这种接近使得研究边界状态之间的潜在相互作用成为可能。

莫伦康普教授称：“只有在我们的光刻方法上取得突破，该实验才能成功。这使我们能够创建令人难以置信的小型结构，而不会损坏拓扑材料。”

研究人员通过复杂的制造过程，以特别精确和材料友好的方式，解决了由于相互作用而导致异常电导行为的构造瓶颈，能够实验性地检测系统的拓扑特性。他们首次检测了基于异常电导行为系统的各种拓扑状态之间的各种交互作用，并且认为，这些拓扑量子点接触的特殊行为，是由于一维电子系统的特殊物理定律。

在空间维度上检测电子相互作用，可以发现一维与二维或三维不同，电子的运动是有序的，因为不可能超越领先的电子。形象地说，在这种情况下，电子的行为就像链上的珍珠。一维系统的这种特殊性质导致有趣的物理现象。物理学家特劳泽特尔说：“自然界中很少发生强库仑相互作用和自旋轨道耦合的相互作用。因此，我从这个系统基本特点可预测未来的应用。”

近年来的理论预测，拓扑量子点接触是许多应用程序的基本组成部分。一个特别突出的例子是马约拉纳费米子的可能实现，意大利物理学家埃托尔·马约拉纳早在1937年就预测过。这些预测归因于与拓扑量子计算机相关的高应用潜力。不仅要证明马约拉纳费米子，而且要能够同时控制和操纵它们。维尔茨堡大学首次实现的拓扑量子点接触，为这方面进展提供了令人鼓舞的前景。(记者顾钢)