科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

據(jù)最新一期英國(guó)《自然·通訊》報(bào)道，美國(guó)密歇根大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種半導(dǎo)體材料，可在室溫條件下實(shí)現(xiàn)從導(dǎo)體到絕緣體的“量子翻轉(zhuǎn)”，有助于開(kāi)發(fā)新一代量子設(shè)備和超高效電子設(shè)備。

圖片來(lái)源：物理學(xué)家組織網(wǎng)

研究人員在只有一個(gè)原子厚的二維硫化鉭層中觀察到，支持這種量子翻轉(zhuǎn)的奇異電子結(jié)構(gòu)以前只能在-37.8℃的超低溫下穩(wěn)定，現(xiàn)在該新材料可在高達(dá)77℃時(shí)保持穩(wěn)定。

密歇根大學(xué)材料科學(xué)與工程助理教授羅伯特·霍夫登說(shuō)，奇異的量子特性，比如從導(dǎo)體切換到絕緣體的能力，可能是下一代計(jì)算的關(guān)鍵，它提供了更多存儲(chǔ)信息的方法和更快的狀態(tài)切換。這可能會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)大、更節(jié)能的設(shè)備。

當(dāng)今的電子產(chǎn)品使用微型電子開(kāi)關(guān)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；“開(kāi)”為1，“關(guān)”為0，斷電后數(shù)據(jù)消失。未來(lái)的設(shè)備則可使用其他狀態(tài)，例如“導(dǎo)體”或“絕緣體”來(lái)存儲(chǔ)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，只需要快速的能量點(diǎn)就可在狀態(tài)之間切換，而不是穩(wěn)定的電流。

在過(guò)去，這種奇異的行為只在超低溫下的材料中被觀察到，而科學(xué)家的最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)能夠在室溫下按需快速?gòu)囊环N狀態(tài)“翻轉(zhuǎn)”到另一種狀態(tài)的材料，這一研究可能是朝這個(gè)方向邁出的重要一步。

“先前在超低溫下的研究表明，可以按需一次又一次地進(jìn)行這種翻轉(zhuǎn)。”霍夫登說(shuō)，“這不是這個(gè)項(xiàng)目的重點(diǎn)，但事實(shí)上，我們甚至能夠在室溫下保持一次翻轉(zhuǎn)穩(wěn)定，這開(kāi)啟了許多令人興奮的可能性。”

從導(dǎo)體到絕緣體的翻轉(zhuǎn)由一種稱為電荷密度波的現(xiàn)象支持，這是一種在某些條件下自發(fā)發(fā)生的有序的、晶體狀正負(fù)電荷模式。

“之前在硫化鉭的大塊樣品中觀察到電荷密度波，但材料必須處于超冷溫度下，”霍夫登說(shuō)，“通過(guò)將幾個(gè)二維層交錯(cuò)在一起，我們能夠使其更加穩(wěn)定。”

該團(tuán)隊(duì)首先制造了幾層夾在一起的單原子厚的硫化鉭層樣品。每一層都是一個(gè)半導(dǎo)體，處于所謂的八面體狀態(tài)，它指的是鉭和硫原子的特定排列。雖然存在一些電荷密度波，但它們過(guò)于不穩(wěn)定和無(wú)序，無(wú)法產(chǎn)生導(dǎo)體—絕緣體翻轉(zhuǎn)等奇異行為。

霍夫登團(tuán)隊(duì)通過(guò)在無(wú)氧環(huán)境中加熱樣品，同時(shí)在電子顯微鏡下觀察該過(guò)程。隨著樣品的加熱，層開(kāi)始一層一層地切換到棱柱狀態(tài)——相同原子的不同排列。

當(dāng)大多數(shù)（但不是全部）層切換到棱柱狀態(tài)時(shí)，研究人員將樣品冷卻回室溫，發(fā)現(xiàn)保持八面體狀態(tài)的層顯示出有序而穩(wěn)定的電荷密度波，并且在高達(dá)77℃的溫度下仍能保持這種狀態(tài)。此外，這些層已經(jīng)從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。

總編輯圈點(diǎn)：

導(dǎo)體和絕緣體不是恒定概念，在特定條件下，它們能相互轉(zhuǎn)化。這一次，科研人員又將目光瞄準(zhǔn)了二硫化鉭，它被認(rèn)為是富有前景的現(xiàn)代微電子材料。此前，有研究用超短激光或電子脈沖對(duì)其進(jìn)行照射，讓二硫化鉭由絕緣體變成了導(dǎo)體。本文介紹的這項(xiàng)研究，則是制造了幾層夾在一起的單原子厚的硫化鉭層樣品，讓鉭和硫原子產(chǎn)生特定排列，讓它的導(dǎo)電性質(zhì)根據(jù)溫度的不同發(fā)生變化。不過(guò)，這一轉(zhuǎn)變的機(jī)制和理論基礎(chǔ)是什么，可能還需要進(jìn)一步闡釋。

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