新材料可室溫下進行“量子翻轉”，有助開發下一代計算新模式

據最新一期英國《自然·通訊》報道，美國密歇根大學開發出一種半導體材料，可在室溫條件下實現從導體到絕緣體的“量子翻轉”，有助於開發新一代量子裝置和超高效電子裝置。

圖片來源：物理學家組織網

研究人員在只有一個原子厚的二維硫化鉭層中觀察到，支援這種量子翻轉的奇異電子結構以前只能在-37。8℃的超低溫下穩定，現在該新材料可在高達77℃時保持穩定。

密歇根大學材料科學與工程助理教授羅伯特·霍夫登說，奇異的量子特性，比如從導體切換到絕緣體的能力，可能是下一代計算的關鍵，它提供了更多儲存資訊的方法和更快的狀態切換。這可能會導致更強大、更節能的裝置。

當今的電子產品使用微型電子開關來儲存資料；“開”為1，“關”為0，斷電後資料消失。未來的裝置則可使用其他狀態，例如“導體”或“絕緣體”來儲存數字資料，只需要快速的能量點就可在狀態之間切換，而不是穩定的電流。

在過去，這種奇異的行為只在超低溫下的材料中被觀察到，而科學家的最終目標是開發能夠在室溫下按需快速從一種狀態“翻轉”到另一種狀態的材料，這一研究可能是朝這個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行這種翻轉。”霍夫登說，“這不是這個專案的重點，但事實上，我們甚至能夠在室溫下保持一次翻轉穩定，這開啟了許多令人興奮的可能性。”

從導體到絕緣體的翻轉由一種稱為電荷密度波的現象支援，這是一種在某些條件下自發發生的有序的、晶體狀正負電荷模式。

“之前在硫化鉭的大塊樣品中觀察到電荷密度波，但材料必須處於超冷溫度下，”霍夫登說，“透過將幾個二維層交錯在一起，我們能夠使其更加穩定。”

該團隊首先製造了幾層夾在一起的單原子厚的硫化鉭層樣品。每一層都是一個半導體，處於所謂的八面體狀態，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，但它們過於不穩定和無序，無法產生導體—絕緣體翻轉等奇異行為。

霍夫登團隊透過在無氧環境中加熱樣品，同時在電子顯微鏡下觀察該過程。隨著樣品的加熱，層開始一層一層地切換到稜柱狀態——相同原子的不同排列。

當大多數（但不是全部）層切換到稜柱狀態時，研究人員將樣品冷卻回室溫，發現保持八面體狀態的層顯示出有序而穩定的電荷密度波，並且在高達77℃的溫度下仍能保持這種狀態。此外，這些層已經從半導體轉變為絕緣體。

總編輯圈點：

導體和絕緣體不是恆定概念，在特定條件下，它們能相互轉化。這一次，科研人員又將目光瞄準了二硫化鉭，它被認為是富有前景的現代微電子材料。此前，有研究用超短鐳射或電子脈衝對其進行照射，讓二硫化鉭由絕緣體變成了導體。本文介紹的這項研究，則是製造了幾層夾在一起的單原子厚的硫化鉭層樣品，讓鉭和硫原子產生特定排列，讓它的導電性質根據溫度的不同發生變化。不過，這一轉變的機制和理論基礎是什麼，可能還需要進一步闡釋。