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新材料可在室温下进行“量子翻转” 助力开发新量子设备
时间:2022-01-25 15:46:24

据最新一期英国《自然·通讯》报道,美国密歇根大学开发出一种半导体材料,可在室温条件下实现从导体到绝缘体的“量子翻转”,有助于开发新一代量子设备和超高效电子设备。

研究人员在只有一个原子厚的二维硫化钽层中观察到,支持这种量子翻转的奇异电子结构以前只能在-37.8℃的超低温下稳定,现在该新材料可在高达77℃时保持稳定。

密歇根大学材料科学与工程助理教授罗伯特·霍夫登说,奇异的量子特性,比如从导体切换到绝缘体的能力,可能是下一代计算的关键,它提供了更多存储信息的方法和更快的状态切换。这可能会导致更强大、更节能的设备。

当今的电子产品使用微型电子开关来存储数据;“开”为1,“关”为0,断电后数据消失。未来的设备则可使用其他状态,例如“导体”或“绝缘体”来存储数字数据,只需要快速的能量点就可在状态之间切换,而不是稳定的电流。

在过去,这种奇异的行为只在超低温下的材料中被观察到,而科学家的最终目标是开发能够在室温下按需快速从一种状态“翻转”到另一种状态的材料,这一研究可能是朝这个方向迈出的重要一步。

“先前在超低温下的研究表明,可以按需一次又一次地进行这种翻转。”霍夫登说,“这不是这个项目的重点,但事实上,我们甚至能够在室温下保持一次翻转稳定,这开启了许多令人兴奋的可能性。”

从导体到绝缘体的翻转由一种称为电荷密度波的现象支持,这是一种在某些条件下自发发生的有序的、晶体状正负电荷模式。

“之前在硫化钽的大块样品中观察到电荷密度波,但材料必须处于超冷温度下,”霍夫登说,“通过将几个二维层交错在一起,我们能够使其更加稳定。”

该团队首先制造了几层夹在一起的单原子厚的硫化钽层样品。每一层都是一个半导体,处于所谓的八面体状态,它指的是钽和硫原子的特定排列。虽然存在一些电荷密度波,但它们过于不稳定和无序,无法产生导体—绝缘体翻转等奇异行为。

霍夫登团队通过在无氧环境中加热样品,同时在电子显微镜下观察该过程。随着样品的加热,层开始一层一层地切换到棱柱状态——相同原子的不同排列。

当大多数(但不是全部)层切换到棱柱状态时,研究人员将样品冷却回室温,发现保持八面体状态的层显示出有序而稳定的电荷密度波,并且在高达77℃的温度下仍能保持这种状态。此外,这些层已经从半导体转变为绝缘体。

总编辑圈点:

导体和绝缘体不是恒定概念,在特定条件下,它们能相互转化。这一次,科研人员又将目光瞄准了二硫化钽,它被认为是富有前景的现代微电子材料。此前,有研究用超短激光或电子脉冲对其进行照射,让二硫化钽由绝缘体变成了导体。本文介绍的这项研究,则是制造了几层夹在一起的单原子厚的硫化钽层样品,让钽和硫原子产生特定排列,让它的导电性质根据温度的不同发生变化。不过,这一转变的机制和理论基础是什么,可能还需要进一步阐释。(作者:张梦然)

关键词: 新材料 室温 量子翻转 开发 新量子设备

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