研究人員發現電子在晶體中快速移動

實驗中利用極端條件來保存過渡金屬硫族化合物。如圖所示，所有樣品都是在接近太空條件的真空環境中儲存和操作的。

硅的時代已經逐漸走向最後的輝煌。隨著電腦晶元的體積越來越接近微型化的物理極限，並且高能耗處理器會導致能源成本攀升，科學家們正在尋找一種新的奇異材料，以製造出新一代的計算設備，能夠在提升計算性的同時還能減少能源消耗。

不同於目前的硅電子產品，它們消耗的大部分能源都轉變為熱能，而未來則是低功率計算。這種未來的技術被稱為自旋電子學，它依賴於電子的量子物理特性——向上或向下的旋轉來處理和存儲信息，而不是像傳統的計算機那樣通過電流傳遞數據

為了使自旋電子設備成為現實，亞利桑那大學的科學家們正在研究一種奇特的材料——過渡金屬硫族化合物(transition metal dichalcogenides, TMDs)。TMDs擁有令人振奮的特性，它們可以通過新的方式來處理和存儲信息，並且可以為未來的晶體管和光伏提供基礎，甚至有可能為量子計算提供一條新的途徑。

亞利桑那大學化學和生物化學系的博士生Calley Eads表示：「目前硅基太陽能電池只能將大約25%的陽光轉化為電能，還有很大的改善空間，而TMDs很有可能提升轉換效率。」

但是還有一些問題需要解決:大多數TMDs只能以非常大的薄片形式顯示它們的特性，只有一到三個原子薄。這樣的原子層想在實驗室製造出來都具有一定的挑戰性，更不用說進行大規模生產了。

圖為Calley Eads在真空室檢中查一個樣品，以準備進行測量。

理解電子運動

Eads的導師Oliver Monti表示，「當然，這些材料可以大大簡化設備的設計。這些材料非常特殊，以至於我們不斷發現可以利用的新特性，但我們如何確定這些特性能否被運用呢?一種方法是通過了解電子在這些材料中的移動方式，從而開發出操縱它們的新方法——例如，用光代替電流。

為了完成這項研究，該團隊必須克服一個從來沒有遇到過的障礙:找到「觀察」單個電子在晶體中流動的方法。

Monti說:「我們建造的本質上就是一個時鐘，它可以像秒錶一樣移動電子。這樣我們能夠首次直接觀察電子在晶體中的運動情況。在此之前，都只是使用理論模型，以間接的方式觀察電子。

Monti的「秒錶」可以跟蹤移動的電子，其解析度達到10-18秒。追蹤晶體內部的電子後，研究小組又有了另一個發現:電荷的流動取決於方向，這一觀察似乎有違物理學原理。

Monti的團隊還同計算物理學家Mahesh Neupane和X射線光譜學專家Dennis Nordlund展開合作，兩人分別來自陸軍研究實驗室和斯坦福大學SLAC國家加速器實驗室。Monti的團隊使用了一個可調節的高強度X射線源來激發測試樣本中的單個電子，並將其提升到非常高的能級。

研究人員這樣做，能夠分辨出激發態的電子是停留在同一層材料內，還是擴散到晶體周圍的相鄰層上。Monti說:「我們看到，電子以這種方式激發，會分散在同一層，且速度非常快。」

相反，進入相鄰層的電子則要花費10倍多的時間才能回到基態能量狀態。這種差異使研究人員能夠區分這兩種電子。

該論文的第一作者Eads表示：「我很興奮地發現，電荷分布的定向機制發生在同一層，而沒有跨層。」

大規模生產的可行性

Monti解釋說，用於跟蹤電子的X射線「時鐘」並不是設想中應用程序的一部分，只是研究它們內部電子行為的一種手段。這一設備的加入使得大規模製造這一技術成為可能。

「我們在這些材料中看到電子許多異常的行為，比如說，向右移動的電子與向左移動的電子不一樣。根據標準材料的物理原理，向左或向右移動的電子應該是完全一樣的。然而，對於這些材料來說卻不適用。」

這種定向性是TMDs吸引科學家的一個原因之一，因為它可以用來編碼信息。Monti說：「向右移動可以被編碼為『1』，然後向左移動可以被編碼為『0』。

工程師可以利用激光等來操控電子，而不需要應用電流，以光學的方式書寫、讀取和處理信息。也許有一天，它甚至可能會成為光學糾纏信息，為量子計算掃清道路。

「在這些材料中每年都會有越來越多的發現，」Eads說，

「它們在你能觀察到的電子特性方面呈爆炸式增長。」從超導、半導體到絕緣體等等，它們都有各種各樣的功能。

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

財

運

亨

通

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！