该图是拓扑绝缘体的示意图，材料仅仅在边沿导电。它表示计算的单层过渡金属二硫属化物中1T'-MoS₂的结构相态的边缘密度。

（来源：Qian等。）

科学家使用超级计算机发现具有量子自旋霍尔效应的材料。该研究结果发表在2014年12月出版的《科学》杂志上，在该研究论文中他们提出了一种由这些材料制成的新型晶体管。

该研究团队包括Ju Li，Liang Fu，Xiaofeng Qian和Junwei Liu，以及麻省理工学院（MIT）物质拓扑相和二维材料的研究领域的专家。他们使用德克萨斯高级计算中心Stampede和Lonestar超级计算机计算材料的电子结构。

计算分配是通过极端科学与工程探索环境（XSEDE）完成的，XSEDE是由美国国家科学基金会（NSF）资助的虚拟系统，科学家们使用该系统来共享计算资源、数据和专业知识。该研究是在美国能源部和美国国家科学基金会资助下完成的。

“对于我来讲，国家计算资源，例如XSEDE或者Stampede 和 Lonestar超级计算机，对与计算科学家来讲是非常有用的。” Xiaofeng Qian说。在2015年1月，Qian离开MIT，加入德克萨斯大学奥斯汀分校，成为新成立的材料科学与工程学院的一名助理教授。

Qian和他的同事做的是纯理论工作，使用Stampede完成新颖材料－二维过渡金属二硫属化物－内部原子间相互作用部分的计算。Qian采用分子动力学模拟软件Vienna Ab initio Simulation Package来构建一个原子单元模型，这个原子单元模型是TMDC晶格的基本构建单元。

“如果你只看晶包单元，它并不大，只是一些原子。然而，问题是我们需要尽可能准确地预测在自旋耦合存在下其激发态的载流子的能带结构。” Qian介绍道。

科学家通过材料电子结构能带图来展示了电子的能量变化范围，带隙结构表示禁止电流流动的区域。自旋耦合表示电子的自旋和绕核电子的运动产生的磁场之间的电磁相互作用。

该结构的复杂性在于这些相互作用，因而Qian采用多体微扰理论与GW近似来处理这些相互作用。“G”是格林函数的缩写，而“W”代表屏蔽库仑相互作用。

该示意图表明MIT团队关于基于2D材料的一种新电子设备的概念。这种2D材料在层状材料的中间，氮化硼在顶部和底部层。当对该材料施加电场时，通过在顶部的矩形区域，中间层的量子态会发生改变。改变的区域边界表现为完美的量子线，有可能使新电子设备降低损失。（来源：Yan Lian, MIT.）“为了使计算结果合理收敛，我们使用96核，有时候更多。”Qian说。“然后我们需要计算24小时。Stampede超级计算机效率很高，而且非常强大。我们所展示的结果并不只是一种材料；我们由一些其他的材料和不同的条件。在这种情况下，对资源的访问，尤其是Stampede，对于我们的项目是非常有帮助的。”

对于Qian 和他的同事来说更大的目标是找到具有杰出性能的新型材料。他们的目标是具有室温量子自旋霍尔效应的绝缘子。这种绝缘子是近二维材料，它可以阻断电流（除沿其边缘）。沿着边沿你可以在一个方向上获得向上旋转电子流，而在另一个方向获得向下旋转电子流。Qian解释道。“通常情况下，你可以想象，通过控制载流子的入射，我们能获得自旋电子或电子。”

在这项工作中，科学家们提出了一种拓扑场效应晶体管，这种晶体管是由六方氮化硼片与TMDC片交错而成。“我们发现了一种非常便捷的方法来控制这些量子自旋霍尔层的拓扑相的转变。” Qian说。“这是非常重要的，因为一旦我们有控制相转变的能力，我们能设计出许多通过电场就能控制的电子设备。”

Qian强调说，该研究工作为未来实验室的真实实验奠定了理论基础。他希望能发展出一种适合于量子计算机的晶体管，量子计算机是一种尚未实现的不只是1和0这种二进制来控制数据的机器。

“到目前为止，我们并没有涉及量子计算机的具体应用。” Qian说。“然而，将这些材料与超导体结合，有可能得到所谓的Majorana费米子零模，可用于量子计算。”

 

新材料在线编译整理—— 翻译：杨超