بیایید فکر کنیم که چه می‌شد اگر می‌توانستیم راهی پیدا کنیم که جریان‌های الکتریکی بدون اتلاف انرژی در دستگاه‌ها و تراشه‌ها حرکت می‌کردند؟ یک رویکرد امیدوارکننده برای این امر استفاده از موادی است که به عنوان عایق‌های توپولوژیکی شناخته می‌شوند. آن‌ها در ابعاد یک بعدی (سیم)، دوبعدی (ورق) و سه بعدی (مکعب) وجود دارند. فیزیکدانان نظری در دانشگاه اوترخت، با همکاری محققانی از دانشگاه شانگهای جیائو تونگ، کشف کرده‌اند که عایق‌های توپولوژیکی ممکن است در بُعد ۱٫۵۸ نیز وجود داشته باشند، این می‌تواند برای پردازش اطلاعات با مصرف انرژی بهینه استفاده شود. نتایج مطالعه آن‌ها در نشریه Nature Physics منتشر شده است.
چقدر به ساخت تراشه‌هایی که اتلاف انرژی ندارند، نزدیک هستیم؟
بیت‌های کلاسیک، بر اساس جریان‌های الکتریکی هستند. با این حال، در حین کار این الکترون با نقص‌ها و ناخالصی‌های موجود در مواد مواجه می‌شوند و انرژی خود را از دست می‌دهند. این چیزی است که وقتی دستگاه شما گرم می‌شود اتفاق می‌افتد؛ انرژی به گرما تبدیل می‌شود و بنابراین باتری شما سریع‌تر تخلیه می‌شود.
عایق‌های توپولوژیکی مواد خاصی هستند که امکان عبور جریان را بدون اتلاف انرژی فراهم می‌کنند. آن‌ها در سال ۱۹۸۰ کشف شدند و کاشف آن‌ها جایزه نوبل را دریافت کرد. عایق‌های توپولوژیکی وضعیت جدیدی از ماده را نشان می‌دهند. در داخل، عایق‌های توپولوژیکی عایق هستند، در حالی که در مرزهای آن‌ها جریان‌هایی وجود دارد.
این امر آن‌ها را برای کاربرد در فناوری‌های کوانتومی بسیار مناسب می‌کند و می‌تواند مصرف انرژی جهان را به شدت کاهش دهد. فقط یک مشکل وجود داشت: این ویژگی‌ها تنها در حضور میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی و دمای بسیار پایین، در حدود منفی ۲۷۰ درجه سانتی‌گراد، دیده شدند که باعث می‌شد برای استفاده در زندگی روزمره مناسب نباشند.
در دهه‌های گذشته، پیشرفت قابل توجهی برای غلبه بر این محدودیت‌ها صورت گرفته است. در سال ۲۰۱۷، محققان کشف کردند که یک لایه دو بعدی بیسموت با ضخامت تک اتم، تمام خواص مناسب را در دمای اتاق، بدون حضور میدان مغناطیسی نشان می‌دهد. این پیشرفت استفاده از عایق‌های توپولوژیکی در دستگاه‌های الکترونیکی را به واقعیت نزدیک کرد.
در کنسرسیوم QuMAT، فیزیکدانان نظری از دانشگاه اوترخت، همراه با محققان دانشگاه شانگهای جیائو تونگ، نشان داده اند که بسیاری از حالت‌های بدون اتلاف انرژی ممکن است بین یک و دو بعد وجود داشته باشند. به عنوان مثال در ابعاد ۱٫۵۸٫
شاید تصور ابعاد ۱٫۵۸ سخت باشد، اما این ایده بیشتر از آنچه فکر می‌کنید آشنا است. چنین ابعادی را می‌توان در ساختارهای فراکتال مانند ریه‌ها، شبکه نورون‌های مغز یا کلم بروکلی رومانسکو یافت. آن‌ها ساختارهایی هستند که مقیاس متفاوتی نسبت به اشیاء معمولی دارند که به آن‌ها “ساختارهای خود مشابه” می‌گویند. اگر این ساختارها را با بزرگنمایی‌های بالا مشاهده کنید، دوباره و دوباره همان ساختار را خواهید دید.
دانشمندان در چین با رشد یک عنصر شیمیایی (بیسموت) روی یک نیمه‌رسانا (آنتی‌موناید ایندیوم)، ساختارهای فراکتالی را به دست آوردند که به طور خود به خود و با تغییر شرایط رشد، تشکیل شده بودند. سپس دانشمندان در اوترخت به صورت تئوری نشان دادند که از این ساختارها، حالت‌های گوشه صفر بعدی و حالت‌های لبه یک بعدی بدون اتلاف انرژی دارند. این ساختار می‌تواند برای تولید تراشه‌های جدید با مصرف انرژی بسیار کم استفاده شود.
