三十多年来，科学家们一直在努力开发室温超导体——即在没有笨重、耗能的超冷却的情况下，能够以零电阻导电的材料。现在，研究人员预测，一种名为锡烯的新材料，由一层原子厚的锡组成，其作用可能很像室温超导体，从而带来更快、更高效的微芯片。
锡烯是一种拓扑绝缘体，是一种过去十年引起研究人员兴趣的新型材料。虽然这种材料的内部是电绝缘体，但外部边缘和表面却具有导电性。如果运用得当，拓扑绝缘体的这种奇特特性可以使电子无电阻地流动。
要理解这一点，需要解释一下电子在拓扑绝缘体中的移动方式。像带有南北极的微型旋转条形磁铁一样，电子在材料中移动时会发生自旋。当电子在拓扑绝缘体的表面和边缘移动时，它们的自旋方向会与流动方向对齐。这种效应——被称为量子自旋霍尔态——的一个结果是，流动的电子不容易反转方向。即使它们撞到材料内部的杂质，也是如此——在普通导体中，这种事件会导致电子向后散射并耗散能量。
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当电子沿着三维拓扑绝缘体的表面移动时，它们通常不会向后弹，但它们仍然可以互相侧向推挤，从而浪费能量。但在二维拓扑绝缘体中——即只有一层原子厚的表面——流动的电子会被限制在单条通道中，从而消除所有干扰。最近的实验证实，电子可以以 100% 的效率沿着平面拓扑绝缘体的边缘快速移动。
在过去的十年中，研究人员已经用富含电子的重元素（包括汞、铋、锑、碲和硒）的化合物制成了拓扑绝缘体。它们中没有一种能在室温下完美导电。然后，斯坦福大学的理论物理学家张首晟及其同事决定研究锡，这是一种同样富含电子的重元素。该团队的计算表明，单原子层的锡是拓扑绝缘体，电子可以在室温及以上温度下完美流动。
在单层锡原子（灰色）中添加氟原子（黄色）应该可以使预测的新材料锡烯在其边缘（蓝色和红色箭头）在高达 100 摄氏度的温度下完美导电。这种锡烯-氟组合的第一个应用可能是在连接微处理器多个部分的布线中，使电子的流动像高速公路上的汽车一样轻松。
图片来源：清华大学的徐勇/Greg Stewart/SLAC 提供
“它能在如此高的温度下工作，这令人惊讶，”张首晟说。“多年来，科学家们一直在寻找无耗散的电力传输，但通常我们发现的系统只能在极端条件下工作，要么是非常低的温度，要么是非常强的磁场。”科学家们在 9 月 27 日的《物理评论快报》杂志上在线详细介绍了他们的发现。
“这项工作的好处在于，他们展示了你可以拥有一种单元素材料，它是一种拓扑绝缘体，”加州大学洛杉矶分校的物理学家王康说，他没有参与这项研究。“这使得一切都变得简单得多。”
尽管锡烯和超导体都可以像完美的导体一样导电，但张首晟强调，锡烯不是超导体。虽然锡烯的边缘充当电子的高速公路，但当电子在锡烯和普通导体之间移动时，仍然会遇到“接触电阻”。相比之下，在超导体中，电子以成对形式移动，这种现象可以消除接触电阻。换句话说，当一个普通导体与超导体接触时，它实际上就像一个超导体。
张首晟说，锡烯和相关材料可以用于连接微芯片的许多部分的布线，从而提高其速度并降低其功耗。“我希望锡烯可以取代硅，”张首晟说。“锡便宜、丰富、稳定且环保。”
王康解释说，自 2005 年以来，计算机的中央处理单元 (CPU) 的速度一直被限制在约 3 千兆赫，这是因为电子设备中能量耗散的方式。如果它们运行得更快，热量将使设备不堪重负。“最大限度地减少能量耗散可以改善所有电子设备，”王康说。
张首晟说，未来的研究人员可以调整锡烯以提高其性能。例如，添加氟原子可以使锡烯在高于 100 摄氏度的温度下让电子轻松流动。
这些发现仍需要实验证实，并且锡烯原子级的薄而脆弱的层可能难以制造。“然而，值得注意的是，在拓扑绝缘体领域，迄今为止的每一个理论预测都已实现，”张首晟说。