数十亿个微型晶体管为现代智能手机提供处理能力，这些晶体管快速切换开关状态，实现对于电子流动的控制。但是，需要将更多晶体管封装到更小的器件中，这正在逼近传统材料的物理极限。晶体管材料效率较低，还会引起能量损耗，导致发热以及电池寿命变短。因此，研究人员正在寻求替代材料，让降低电子器件功耗，提高运行效率。

近日，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）首次演示了一种“新奇”超薄材料中的电子开关。这种材料能在室温条件下“几乎零损耗”地传递电荷。研究人员在一个低电流电场中，证明了这种开关效应。

澳大利亚莫纳什大学、美国伯克利实验室的科学家组成科研团队从头开始研究材料，并利用美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的基础设施—先进光源（ALS）来开展研究。

这种材料是铋化钠（Na3Bi），是一种被称为“拓扑狄拉克半金属”的材料，它具有独特的电子特性，可以调谐为不同的表现方式，在某些情况下更像传统材料，而在另一些情况下更像拓扑材料。更早些时候，在先进光源上展开的实验首次确认了这种材料的拓扑特性。

拓扑材料有望减少器件中的能量损耗与功率损耗，因此被认为是下一代晶体管以及其他电子与计算机应用的潜在候选材料。它们可以在室温下保持特性，相对于需要极端低温条件的超导体来说，这是一个非常重要的优势。而且，当材料具有结构缺陷或者承受压力时，也能继续保持特性。

具有拓扑特性的材料是全球科学界重点研究的领域，2016年的诺贝尔物理奖就颁发给了与材料拓扑特性相关的理论研究。先进光源研究员Sung-Kwan Mo表示，将先进光源研究的材料轻松地从导电状态转化为绝缘状态（非导电状态），对于未来晶体管应用来说是一个好预兆。

最新的研究还找到了一种制造这种极薄材料的方法（薄度相当于蜂巢状排列的钠原子与铋原子单层），而且每一层的厚度可控。

对于人类所面临的现代计算中日益加剧的能源浪费挑战来说，超低能量拓扑电子器件提供了一个有潜力的解决方案。

在最新研究中，在先进光源光束线10.0.1的超高真空条件下，研究人员们采用了一种称为分子束外延的工艺，在一个硅晶圆上生长了一边长达几毫米的材料样本，而且避免了污染。

这个光束线运用了角分辨光电子能谱的X射线技术，观察材料中的电子如何移动。在典型的拓扑材料中，电子沿着材料边缘流动，而材料其他部分成为绝缘体。

澳大利亚同步加速器（Australian Synchrotron）也展开了一些针对类似样本的X射线实验，演示了超薄铋化钠无需依靠支撑物，且不会与硅晶圆（铋化钠生长在硅晶圆上面）产生化学相互作用。在这个案例中，研究人员们发现：当超薄材料受到电场影响时，会成为超导体；当它受到略高的电场影响时，整个材料也会变成一个绝缘体。

其他的一些研究都在努力寻求更具挑战性的“化学掺杂”或“力学应变”的机制，来控制并进行开关操作。研究团队正在继续研究能以类似方式进行开关的其他样本，从而引导新一代超低能量电子器件的开发。