UA研究人員觀察電子在晶體中拉扯

硅時代的結束已經開始。隨著計算機芯片接近小型化的物理極限和耗電量大的處理器增加了能源成本，科學家們正在尋找一種新的異國材料，可以培育新一代的計算設備，承諾將性能提升到新的高度，同時減少能源消耗消費。

與目前基于硅的電子產品不同，它們消耗的大部分能量都是廢熱，未來的全部是低功耗計算。這項技術被稱為自旋電子學，它依賴于電子的量子物理特性 - 向上或向下旋轉 - 來處理和存儲信息，而不是像傳統計算那樣用電來移動它們。

在尋求使自旋電子設備成為現實的過程中，亞利桑那大學的科學家們正在研究一種被稱為過渡金屬二硫化物(TMD)的異國材料。TMD具有令人興奮的特性，可以為處理和存儲信息提供新的方法，并可以為未來的晶體管和光伏發電奠定基礎 - 甚至可能為量子計算提供一條途徑。

例如，目前基于硅的太陽能電池實際上只有大約25%的陽光轉化為電能，因此效率是一個問題，UA 化學和生物化學系五年級博士生Calley Eads說，他研究了一些屬性這些新材料。“收獲能源可能會有巨大的改善，這些材料可能會做到這一點，”她說。

然而，有一個問題：大多數TMD僅以非常大的薄片形式顯示其魔力，但只有一到三個原子變薄。這種原子層具有足夠的挑戰性，足以在實驗室規模上制造，更不用說在工業大規模生產中。

Oliver Monti是UA化學與生物化學系的教授。(圖片：Timo Florian / Humboldt University，柏林)

據該部門教授和Eads顧問Oliver Monti稱，正在進行許多努力來設計用于量子通信，低功耗電子和太陽能電池的原子級薄材料。他的研究小組最近發現了一種可能的捷徑，發表在“自然通訊”雜志上，研究了由錫和硫的交替層組成的TMD 。

“我們表明，對于其中一些屬性，你不需要去原子薄片，”他說。“你可以選擇現成的更容易獲得的結晶形式。一些屬性得以保存并存活下來。“

了解電子運動

當然，這可以大大簡化設備設計。

“這些材料非常不尋常，我們不斷發現它們越來越多，它們揭示了我們認為可以使用的一些令人難以置信的功能，但我們怎么知道呢?”Monti說。“要知道的一種方法是了解電子如何在這些材料中移動，這樣我們就可以開發新的操作方法 - 例如，用傳統計算機做光而不是電流。”

為了做這項研究，團隊必須克服以前從未被清除的障礙：找出一種方法來“觀察”單個電子流過晶體時的電子。

“我們制造的本質上是一個可以像秒表一樣移動電子的時鐘，”蒙蒂說。“這使我們能夠對電子的第一次直接觀察實時移動。到目前為止，這只是通過理論模型間接完成的。“

這項工作是利用TMD為未來處理技術提供有吸引力的候選特性的重要一步，因為這需要更好地了解電子在其中的行為和移動方式。

Monti的“秒表”使得以僅阿秒(十億分之一秒)十分之一的分辨率跟蹤移動電子成為可能。跟蹤晶體內部的電子，該團隊又發現了一個問題：電荷流取決于方向，這種觀察似乎在物理學面前飛揚。

與陸軍研究實驗室的計算物理學家Mahesh Neupane和斯坦福大學SLAC國家加速器實驗室的X射線光譜學專家Dennis Nordlund合作，Monti團隊使用可調諧的高強度X射線源激發其中的單個電子。測試樣品并將其提升至非常高的能量水平。

“當電子以這種方式被激發時，它相當于一輛汽車從每小時10英里推到每小時數千英里，”Monti解釋道。“它希望擺脫巨大的能量，并回落到原來的能量水平。這個過程非常短暫，當發生這種情況時，它會發出一個特定的簽名，我們可以用我們的儀器來獲取。“

研究人員能夠以這樣的方式做到這一點，使他們能夠區分激發的電子是否停留在材料的同一層內，還是分散到整個晶體的相鄰層中。

“我們看到以這種方式激發的電子在同一層內分散并且速度非常快，大約幾百阿秒，”Monti說。

相比之下，穿過相鄰層的電子需要花費10倍以上的時間才能恢復到地面能量狀態。這種差異使研究人員能夠區分這兩個群體。

“我非常興奮地發現電荷分布的定向機制發生在層內，而不是跨層，”該論文的第一作者Eads說。“以前從未觀察過。”

更接近大規模制造業

用于跟蹤電子的X射線“時鐘”不是預想應用的一部分，但是研究電子內部電子行為的手段，Monti解釋說，這是邁向技術的必要的第一步，具有可能質量的所需特性-manufactured。

“我們在這些材料中看到的異常行為的一個例子是向右移動的電子與向左移動的電子不同，”他說。“這不應該發生 - 根據標準材料的物理特性，左側或右側是完全相同的。然而，對于這些不屬實的材料。“

這種方向性是TMD對科學家有吸引力的一個例子，因為它可以用來編碼信息。

“向右移動可以編碼為'一個'，向右移動為'零'，”蒙蒂說。“因此，如果我能夠產生整齊地向右移動的電子，我已經寫了一堆，如果我能夠生成整齊地向左移動的電子，我就會產生一堆零。”

工程師可以使用諸如激光之類的光以這種方式操縱電子，而不是施加電流，以光學寫入，讀取和處理信息。也許有一天甚至有可能光學糾纏信息，為量子計算掃清道路。

“每年，這些材料中都會發現越來越多的發現，”Eads說。“它們在你可以觀察到的電子特性方面正在爆炸。從超導，半導體到絕緣，以及可能更多的方式，它們可以有多種方式發揮作用。“

根據Monti的說法，這里描述的研究只是一種探測分層TMD晶體意外，令人興奮的特性的方法。

“如果你在硅片上做過這個實驗，你就不會看到任何這個，”他說。“無論你做什么，硅都會像三維水晶一樣。這完全是關于分層。“