IT器件的新材料

在过去的半个多世纪里，人类的发展在很大程度上依赖于半导体技术的进步，或者说过去的半个多世纪是摩尔定律发挥作用的时代。摩尔定律一方面体现了信息技术的进步，另一方面可以看成是人类利用能量效率的提升。同样的能耗，人类可以让计算机处理和存储更多的信息。

但是，随着半导体集成电路的密度越来越高，它内部的能量密度也在不断提高。今天的半导体芯片单位体积的功耗，已经超过了核反应堆内部单位体积的功率，同时，集成电路所消耗的绝大部分能量，都浪费在控制发热上，没有用于计算。同时，为了给大型计算机设备降温，又需要耗费更多的能量。今天，能耗已经成为信息技术发展的瓶颈，对此，我们每一个使用手机的人都有体会。

要解决这个问题，沿用今天的技术是办不到的，需要有革命性的新技术。在诸多未来的新技术中，可以分为开源和节流两类。开源技术包括使用能量密度更高的供电设备，比如电极距离非常近的纳米电池；而在节流方面，几乎不用能量的拓扑绝缘体被看成是有可能取代硅成为未来信息技术的新载体。这种表面呈现超导特征，而内部是绝缘体的新材料，其原理是物理学上的量子霍尔效应（quantum Hall effect）。量子霍尔效应即量子力学版的霍尔效应，需要在低温强磁场的极端条件下才可以被观察到，此时霍尔电阻与磁场不再呈线性关系，而出现量子化平台。包括斯坦福大学著名物理学家张首晟教授在内的学者们已经在理论上证明了拓扑绝缘体的存在。

2016年的诺贝尔物理学奖就被授予了在拓扑绝缘体领域研究的三位物理学家：戴维·索利斯（David Thouless）、邓肯·霍尔丹（Duncan Haldane）和迈克尔·科斯特利茨（Michael Kosterlitz）。当然，找到制作这种材料的方向，并且将它们用于产品，还有很长的路要走。