완전히 통합된 토폴로지 전자 장치

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13410(2022) 이 기사 인용

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위상 절연체(TI)는 고유한 물리적 특성과 유망한 응용으로 인해 광자 및 음향학에서 상당한 주목을 받아 왔습니다. 전자공학은 복잡한 토폴로지 구조를 구축할 수 있다는 장점으로 인해 최근 다양한 토폴로지 현상을 연구하는 흥미로운 분야로 부상했습니다. 여기서는 표준 보완 금속 산화물 반도체 기술을 사용하는 집적 회로(IC) 플랫폼의 TI를 살펴보겠습니다. Su-Schrieffer-Heeger 모델을 기반으로 여러 개의 용량 결합 인덕터-커패시터 공진기를 사용하여 완전히 통합된 토폴로지 회로 체인을 설계합니다. 우리는 물리적 레이아웃에 대한 포괄적인 레이아웃 후 시뮬레이션을 수행하여 주요 토폴로지 특징을 관찰하고 평가합니다. 우리의 결과는 토폴로지 엣지 상태의 존재와 다양한 결함에 대한 엣지 상태의 놀라운 견고성을 보여줍니다. 우리의 연구는 IC 기술로 TI를 연구하는 가능성과 가능성을 보여줌으로써 확장 가능한 IC 플랫폼에서 대규모 토폴로지 전자 장치에 대한 미래 탐구의 길을 열었습니다.

위상적 절연체(TI)는 물질이 내부에서는 절연체로, 경계에서는 도체로 작용하는 새로운 양자 물질 상태입니다1. 특히 전도성 가장자리 상태는 시간 역전 대칭으로 보호되며 표면 결함이나 국부적 장애로 인한 교란에 강합니다. 이 물질은 응집물질물리학 분야에서 양자홀효과2를 연구하여 처음으로 발견한 물질입니다. 그 이후로 그들은 과학계로부터 상당한 관심을 끌었습니다. 지난 수십 년 동안 TI는 포토닉스3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 음향학16,17,18, 19,20, 플라즈몬21,22 및 역학23,24. 스핀트로닉스 장치1, 초전도 근접 효과25, 적외선 검출기 및 열전 응용26, 순수 전기 자기 메모리 쓰기 및 무소산 전자 장치27, 토폴로지 양자 컴퓨팅28을 포함하여 수많은 흥미로운 효과와 응용 프로그램이 제안되고 조사되었습니다.

Electronics29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49는 최근 공부할 수 있는 훌륭한 플랫폼으로 등장했습니다. TI는 쉬운 프로빙, ​​안정적인 제작, 전자 장치의 유연한 조정이라는 장점을 갖고 있습니다. 선행 기술29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49는 토폴로지 에지의 존재를 보고했습니다. 간단한 인덕터-커패시터 사다리35,40,41,42,43에서 복잡한 회로 네트워크29,30,32,34,36,37,38,39,44,45,46,48에 이르기까지 다양한 전자 회로의 상태와 유사한 동작 . 특히 Su-Schrieffer-Heeger(SSH) 모델50을 기반으로 한 전자 회로는 TI 연구에 널리 사용되었습니다. 일반적인 1차원(1-D) SSH 체인이 그림 1a에 나와 있습니다. 이는 N개의 계단식 셀로 구성되며, 각 셀은 두 개의 하위 단위(A 및 B)를 호스팅합니다. 셀 내 호핑 진폭 \(\alpha\) 및 셀 간 호핑 진폭 \(\beta\)은 각각 셀 내부 및 셀 간의 결합 강도를 나타냅니다. 셀 간 결합 \(\beta\)이 셀 내 결합 \(\alpha\)보다 강할 때 체인은 위상적으로 중요하지 않으며 가장자리 상태를 갖습니다. 그렇지 않으면 가장자리 상태가 사라지고 벌크 상태만 나타납니다. 시간 역전 대칭으로 보호되는 이 가장자리 상태는 다양한 종류의 교란 및 장애로부터 면역됩니다. 이러한 1차원 모델은 2차원(2차원) 격자, 3차원(3차원) 벌집, 호흡 파이로클로어, 그래핀 및 Weyl 구조와 같은 고차원 구조로 공간적으로 확장될 수도 있습니다.

이론적 SSH 모델과 이에 상응하는 전자 회로 모델 중 하나의 그림입니다. (a) N개의 셀로 구성된 일반적인 이론적 1-D SSH 모델. 각 파란색/분홍색 원은 i번째 셀의 하위 단위 A/B를 나타냅니다. (b) 이론적 SSH 모델에 대한 등가 전자 회로(즉, 1차원 회로 체인)의 개략도. 1-D 회로 체인의 각 셀은 선형 커패시터 \(C_\text {a}\)로 결합된 두 개의 LC 공진기로 구성됩니다. 각 셀은 선형 커패시터 \(C_\text {b}\)에 의해 서로 연결됩니다. 다양한 LC 공진기의 모든 인덕턴스와 커패시턴스는 동일합니다. c, 20개 셀로 구성된 1-D SSH 회로 체인의 수치 시뮬레이션. 특성 주파수는 \(f_c=\omega _c/(2\pi )=12\) GHz입니다. \(C_\text {a}\)는 설계된 값으로 고정되고 \(C_\text {b}\)는 0에서 \(5C_\text {a}\)까지 변경됩니다. 주황색 대시는 \(\sqrt{1/(1+2\alpha )}f_c\) 및 \(\sqrt{1/(1+2\beta )}f_c\)에서 계산된 밴드갭 에지 주파수를 나타냅니다. 검은색 수직 점선은 \(\beta /\alpha =1\)에서 중요하지 않은 체제와 사소한 체제 사이의 경계입니다. \(\sqrt{1/(1+\alpha +\beta )}f_c\)의 에지 상태 주파수는 파란색으로 강조 표시됩니다. 삽입된 그림은 TI의 에너지 대역에 대한 개념적 다이어그램입니다. 주황색 곡선은 벌크 밴드에 해당하고 파란색 곡선은 표면의 가장자리 상태에 해당합니다.