龟兔赛跑的量子版本：超原子半导体克服缺陷 全面超越硅基材料

龟兔赛跑的量子版本：超原子半导体克服缺陷全面超越硅基材料半导体，尤其是硅，是各种电子设备（如电脑、手机和您正在使用的设备）运行的基础。尽管用途广泛，但半导体也有其内在的限制。这些材料的原子结构会发生振动，从而产生称为声子的量子粒子。这些声子导致电子设备中负责传输能量和信息的粒子（电子或称为激子的电子-空穴对）发生散射。这种散射发生在极小的距离（纳米）和极短的时间跨度（飞秒）内，导致能量以热量形式耗散，并对信息传输速度造成限制。人们正在寻找更好的选择。哥伦比亚大学的化学家团队在《科学》杂志上撰文，他们的博士生杰克-图里亚格（JackTulyag）与化学教授米兰-德洛尔（MilanDelor）合作，描述了迄今为止速度最快、效率最高的半导体：一种名为Re6Se8Cl2的超原子材料。Re6Se8Cl2中的激子在与声子接触时不会发生散射，而是会与声子结合，产生新的准粒子，称为声激子-极子。虽然极子存在于许多材料中，但Re6Se8Cl2中的极子具有一种特殊的性质：它们能够进行弹道流动或无散射流动。这种弹道行为可能意味着有一天会出现速度更快、效率更高的设备。在研究小组进行的实验中，Re6Se8Cl2中的声激子-极子移动速度很快，是硅中电子移动速度的两倍，在不到纳秒的时间内就穿过了样品的几个微米。鉴于极子可以持续约11纳秒，研究小组认为激子-极子一次可以覆盖超过25微米的范围。由于这些准粒子是由光而不是电流和门控控制的，因此理论设备的处理速度有可能达到飞秒级--比目前千兆赫电子设备的纳秒级快六个数量级。所有这些都是在室温下实现的。德洛尔说："就能量传输而言，Re6Se8Cl2是我们所知的最好的半导体，至少到目前为止是这样。"龟兔赛跑的量子版本Re6Se8Cl2是一种超原子半导体，由合作者泽维尔-罗伊（XavierRoy）在实验室中创造。超原子是束缚在一起的原子团，它们的行为就像一个大原子，但性质却与构建它们的元素不同。合成超原子是罗伊实验室的专长，也是哥伦比亚大学由国家科学基金会资助的材料研究科学与工程中心（MaterialResearchScienceandEngineeringCenteronPrecisionAssembledQuantumMaterials）的工作重点。德洛尔对通过超原子和哥伦比亚大学开发的其他独特材料控制和操纵能量传输很感兴趣。为此，该团队建立了超分辨率成像工具，可以捕捉以超小、超快尺度运动的粒子。当Tulyag第一次把Re6Se8Cl2带进实验室时，并不是为了寻找一种新的改良半导体--而是为了用一种原则上不应该传导太多东西的材料来测试实验室显微镜的分辨率。德洛尔说："这与我们的预期正好相反。"我们看到的不是预期的缓慢运动，而是我们所见过的最快速度。"硅之所以是一种理想的半导体，是因为电子可以在其中快速移动，但就像俗话说的兔子一样，它们蹦跶得太厉害，最终实际上并不能跑得非常远、非常快。相对而言，Re6Se8Cl2中的激子速度非常慢，但正是因为它们速度如此之慢，才能够与同样缓慢移动的声子相遇并配对。由此产生的准粒子很"重"，就像乌龟一样，缓慢而稳定地前进。由于沿途没有其他声子的阻碍，Re6Se8Cl2中的声激子-极子最终比硅中的电子移动得更快。资料来源：哥伦比亚大学杰克-图里亚格（JackTulyag）接下来的两年，Tulyag和他在德洛尔研究小组的同事们一直在研究Re6Se8Cl2为什么会表现出如此明显的行为，包括开发一种具有极高空间和时间分辨率的先进显微镜，可以直接成像极子在材料中形成和移动的过程。TimothyBerkelbach研究小组的博士生、理论化学家PetraShih也建立了一个量子力学模型，为观测结果提供了解释。德洛尔解释说，新的准粒子速度很快，但与直觉相反的是，它们是通过调整自己的节奏来达到这种速度的--这有点像龟兔赛跑的故事。硅之所以是一种理想的半导体，是因为电子可以在硅中快速移动，但就像传说中的兔子一样，它们蹦跳得太快，最终实际上并没有跑得很远很远。相对而言，Re6Se8Cl2中的激子速度非常慢，但正是因为它们速度如此之慢，才能够与同样缓慢移动的声子相遇并配对。由此产生的准粒子很"重"，就像乌龟一样，缓慢而稳定地前进。由于沿途没有其他声子的阻碍，Re6Se8Cl2中的声激子-极子最终比硅中的电子移动得更快。半导体探索仍在继续与哥伦比亚大学正在探索的许多新兴量子材料一样，Re6Se8Cl2可以被剥离成原子薄片，这一特性意味着它们有可能与其他类似材料结合，以寻求更多独特的特性。不过，Re6Se8Cl2不太可能成为商业产品--分子中的第一种元素铼是地球上最稀有的元素之一，因此价格极其昂贵。不过，有了伯克尔巴赫小组的新理论，再加上图里亚格和德洛尔小组首先开发的直接跟踪极子形成和运动的先进成像技术，研究小组计划了解是否还有其他超原子竞争者能够打破Re6Se8Cl2的速度纪录。"这是唯一有人看到过持续室温弹道激子输运的材料。但是，我们现在可以开始预测还有哪些材料可能具有这种行为，而我们以前从未考虑过这些材料，"德洛尔说。"有一整套超原子和其他二维半导体材料具有有利于声学极子形成的特性。"参考文献：JakhangirkhodjaA.Tulyagankhodjaev、PetraShih、JessicaYu、JakeC.Russell、DanielG.Chica、MichelleE.Reynoso、HaowenSu、AthenaC.Stenor、XavierRoy、TimothyC.Berkelbach和MilanDelor的"范德华超原子半导体中的室温波状激子输运"，2023年10月26日，《科学》。DOI:10.1126/science.adf2698编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403195.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403195.htm

“超原子”材料击败硅 成为有史以来能量传输速度最快的半导体材料

“超原子”材料击败硅成为有史以来能量传输速度最快的半导体材料现在，哥伦比亚大学的科学家们发现了一种新型半导体材料，其性能似乎优于其他所有材料。这种材料被称为Re6Se8Cl2，由铼、硒和氯混合组成，这些原子聚集在一起，表现得像一个大原子--一种"超级原子"。这就是它的速度来源。在任何材料中，原子结构都会产生微小的振动，这些振动以量子粒子（称为声子）的形式传播，可以散射电子或激子等载能粒子。这种能量很快就会以热量的形式散失，而管理这种能量是设计电子芯片和系统的一个长期障碍。但Re6Se8Cl2有一个巧妙的特点。它的激子在受到声子撞击时不会散射，而是会与声子结合，从而产生另一种形式的准粒子--声激子-极子。这些激子仍然可以携带能量，但传播速度比普通激子慢得多--与直觉相反，这最终导致了比硅更快的速度。研究小组将其比作龟兔赛跑的老故事。电子在硅中的传播速度非常快，但它们往往会四处弹跳，这并不是最有效的传播路径。另一方面，Re6Se8Cl2中的极子速度较慢，而且不受其他声子的影响，因此它们移动得更远，时间也更稳定。实际上，研究小组发现Re6Se8Cl2中的极子移动速度是硅中电子移动速度的两倍。考虑到它们可以由光而不是电来控制，研究小组估计，使用这种材料制造的理论电子设备最终会比现有设备快六个数量级。这项研究的作者米兰-德洛尔（MilanDelor）说："就能量传输而言，Re6Se8Cl2是我们所知的最好的半导体，至少到目前为止是这样。"遗憾的是，不要指望你的电脑很快就能用上这种材料制造的超快处理器--研究小组表示，这种特殊的混合物不太可能进入市场。对于消费品来说，铼实在是太稀有、太昂贵了。但在证明了这一概念后，研究人员相信，类似的、希望更便宜的材料可能会表现出同样的行为。德洛尔说："我们现在可以开始预测还有哪些材料可能具有我们以前没有考虑过的这种特性。有一大批超原子和其他二维半导体材料具有有利于声学极子形成的特性。"这项研究发表在《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393651.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393651.htm

德中科学家合作在半导体纳米结构中实现新型量子比特

德中科学家合作在半导体纳米结构中实现新型量子比特研究小组成功地在半导体纳米结构中产生了量子位。研究人员利用一种特殊的能量转换，在量子点（半导体的一个微小区域）中产生了一种叠加态，其中一个电子空穴同时拥有两个不同的能级。这种叠加态是量子计算的基础。以前，要诱导这种状态，必须使用能够发射太赫兹范围光线的大型自由电子激光器。遗憾的是，这种波长太长，无法将光束准确聚焦到量子点上。不过，该团队利用两个经过仔细校准的短波长激光脉冲实现了激发。以杭州浙江大学的刘锋为首的研究小组与波鸿鲁尔大学的阿尔内-路德维希博士领导的研究小组以及其他来自中国和英国的研究人员一起，在2023年7月24日在线出版的《自然-纳米技术》杂志上报告了他们的研究成果。研究人员成功地在一种半导体纳米结构中创建了一种量子叠加态，它可能成为量子计算的基础。诀窍在于：两个光学激光脉冲可作为一个太赫兹激光脉冲。(波鸿研究团队：Hans-GeorgBabin（左）和ArneLudwig）。资料来源：RUB，Marquard为了实现这种叠加态，研究人员利用了辐射奥格转变。在这一过程中，一个电子与一个空穴重新结合，部分能量以光子形式释放，部分能量转移到另一个电子上。电子空穴--换句话说，缺失的电子--也会发生同样的过程。2021年，一个研究小组首次成功地专门激发了半导体中的辐射奥杰转变。在当前的项目中，研究人员证明了辐射奥杰过程可以被相干驱动：他们使用了两束不同的激光，其强度相互之间有特定的比例。通过第一束激光，他们激发了量子点中的电子-空穴对，产生了由两个空穴和一个电子组成的准粒子。利用第二束激光，他们触发了辐射奥杰过程，将一个空穴提升到一系列更高的能量状态。研究人员利用微调激光脉冲在空穴基态和高能态之间产生叠加。这样，空穴就同时存在于这两种状态中。这种叠加是量子比特的基础，与传统比特不同，量子比特不仅存在于"0"和"1"两种状态，而且还存在于这两种状态的叠加中。汉斯-格奥尔格-巴宾（Hans-GeorgBabin）在波鸿鲁尔大学由安德烈亚斯-维克（AndreasWieck）教授领导的应用固体物理教席的阿尔内-路德维希（ArneLudwig）博士的指导下，制作了用于实验的高纯度半导体样品。在此过程中，研究人员提高了量子点的集合均匀性，并确保了所生产结构的高纯度。这些措施为与严俊勇和刘峰合作的中国合作伙伴进行实验提供了便利。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374897.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374897.htm

小变化，大影响：同位素研究有望改变二维半导体工程

小变化，大影响：同位素研究有望改变二维半导体工程研究人员发现，改变单层二硫化钼半导体中钼的同位素质量，可以改变该层在光照下发出的光的颜色。这项研究揭示了同位素工程设计二维材料新技术的潜力。资料来源：ChrisRouleau/ORNL，美国能源部同位素是一种元素家族中的成员，它们的质子数相同，但中子数不同，因此质量也不同。同位素工程学传统上侧重于增强在三维（或三维）范围内具有统一特性的所谓块体材料。但由ORNL领导的新研究推进了同位素工程的前沿领域，即电流被限制在平面晶体内的二维（或二维）范围内，而且一层只有几个原子厚。二维材料前景广阔，因为它们的超薄特性可以实现对其电子特性的精确控制。ORNL科学家肖凯说："当我们在晶体中置换一种较重的钼同位素时，我们在单层二硫化钼的光电特性中观察到了令人惊讶的同位素效应，这种效应为设计用于微电子、太阳能电池、光电探测器甚至下一代计算技术的二维光电器件带来了机遇。"研究小组成员于一玲利用不同质量的钼原子，生长出了原子薄二硫化钼的同位素纯二维晶体。在光激发或光刺激下，于发现晶体发出的光的颜色发生了微小变化。肖说："出乎意料的是，钼原子较重的二硫化钼发出的光向光谱的红色端偏移得更远，这与人们对块状材料的预期偏移相反。红色偏移表明材料的电子结构或光学特性发生了变化。"肖和研究小组与中佛罗里达大学的理论家沃洛迪米尔-特科夫斯基（VolodymyrTurkowski）和塔拉特-拉赫曼（TalatRahman）合作，发现声子（即晶体振动）一定会在这些超薄晶体的有限尺寸内以意想不到的方式散射激子（即光激发子）。他们发现这种散射如何使较重同位素的光带隙向光谱的红色端移动。"光带隙"是指材料吸收或发射光所需的最小能量。通过调整带隙，研究人员可以使半导体吸收或发射不同颜色的光，这种可调性对于设计新设备至关重要。ORNL的AlexPuretzky描述了生长在基底上的不同晶体如何因基底的区域应变而导致发射颜色的微小变化。为了证明异常同位素效应，并测量其大小以便与理论预测进行比较，于培育了二硫化钼晶体，在一个晶体中含有两种钼同位素。肖说："我们的工作是史无前例的，因为我们合成了含有两种相同元素但质量不同的同位素的二维材料，并在单层晶体中以可控和渐进的方式横向连接了同位素。这使我们能够在二维材料中观察到光学特性的内在异常同位素效应，而不会受到不均匀样品的干扰。"研究结果表明，即使原子薄的二维半导体材料中同位素质量发生微小变化，也会影响光学和电子特性，这一发现为继续研究提供了重要依据。"以前，人们认为要制造光伏和光电探测器等设备，我们必须将两种不同的半导体材料结合起来，制造结来捕获激子并分离它们的电荷。但实际上，我们可以使用相同的材料，只需改变其同位素，就能制造出捕获激子的同位素结，"肖说。"这项研究还告诉我们，通过同位素工程，我们可以调整光学和电子特性，从而设计出新的应用。"在未来的实验中，肖和团队计划与高通量同位素反应堆和美国国家实验室同位素科学与工程局的专家合作。这些设施可以提供各种高浓缩同位素前驱体，用于生长不同的同位素纯二维材料。然后，研究小组可以进一步研究同位素对自旋特性的影响，以便将其应用于自旋电子学和量子发射。描述这项研究的论文发表在《科学进展》（ScienceAdvances）上。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429843.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429843.htm

新成像技术揭示有机半导体中的激子动力学 带来改进能量转换材料的潜力

新成像技术揭示有机半导体中的激子动力学带来改进能量转换材料的潜力图示：光激发有机半导体"巴克明斯特富勒烯"两个分子中的电子。新形成的激子（如亮点所示）首先分布在两个分子上，然后才落在一个分子上（如图中右侧所示）。资料来源：AndreasWindischbacher新的成像技术揭示了有机半导体中的激子动力学，有助于深入了解其量子特性和改进能量转换材料的潜力。WiebkeBennecke。图片来源：FotostudioRomanBrodel/Braunschweig哥廷根大学、格拉茨大学、凯泽斯劳滕-朗道大学和格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的研究人员现在首次非常快速、非常精确地拍摄到了这些激子的图像--事实上，精确度达到了四十亿分之一秒（0.000,000,000,000,001s）和十亿分之一米（0.000,000,001m）。这种认识对于开发更高效的有机半导体材料至关重要。相关成果最近发表在科学杂志《自然通讯》上。了解激子动力学当光线照射到材料上时，一些电子会吸收能量，从而进入激发态。在有机半导体（如有机发光二极管中使用的半导体）中，这些受激电子和剩余"空穴"之间的相互作用非常强烈，电子和空穴不再能被描述为单独的粒子。相反，带负电荷的电子和带正电荷的空穴结合成对，称为激子。长期以来，从理论和实验角度理解有机半导体中这些激子的量子力学特性一直被认为是一项重大挑战。MatthijsJansen博士。图片来源：ChristinaMöller新方法揭示了这一难题。该研究的第一作者、哥廷根大学物理学家WiebkeBennecke解释说："利用我们的光发射电子显微镜，我们可以发现激子内部的吸引力极大地改变了它们的能量和速度分布。我们以极高的时间和空间分辨率测量了这些变化，并将它们与量子力学的理论预测进行了比较"。研究人员将这种新技术称为光发射激子层析成像技术。其背后的理论是由格拉茨大学的PeterPuschnig教授领导的团队开发的。半导体研究进展这项新技术使科学家们首次能够测量和观察激子的量子力学波函数。简单地说，波函数描述了激子的状态，并决定了其存在的概率。哥廷根大学的MatthijsJansen博士解释了这一发现的意义："我们研究的有机半导体是由60个碳原子组成的球形排列的富勒烯。问题是激子是否总是位于单个分子上，还是可以同时分布在多个分子上。这一特性会对太阳能电池中半导体的效率产生重大影响。"斯特凡-马蒂亚斯教授。图片来源：StefanMathias光发射激子层析技术提供了答案：激子在光的作用下产生后，立即分布在两个或更多的分子上。然而，在几个飞秒内，也就是在一秒钟的极小部分内，激子就会缩回到单个分子。未来，研究人员希望利用这种新方法记录激子的行为。哥廷根大学的斯特凡-马蒂亚斯（StefanMathias）教授认为，这很有潜力："例如，我们希望了解分子的相对运动如何影响材料中激子的动力学。这些研究将有助于我们了解有机半导体的能量转换过程。我们希望这些知识将有助于开发更高效的太阳能电池材料"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424837.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424837.htm

计算领域的里程碑：拥有超过1000个晶体管的二维半导体材料内存处理器诞生

计算领域的里程碑：拥有超过1000个晶体管的二维半导体材料内存处理器诞生由EPFL研究人员开发的首个使用二维半导体材料的大规模内存处理器可大幅减少信息和通信技术领域的能源消耗。当信息和通信技术（ICT）处理数据时，它们会将电能转化为热能。如今，全球ICT生态系统的二氧化碳排放量已与航空业不相上下。然而，事实证明，计算机处理器消耗的大部分能源并非用于执行计算。相反，处理数据所消耗的大部分能源用于在内存和处理器之间传输字节。在11月13日发表在《自然-电子学》（NatureElectronics）杂志上的一篇论文中，EPFL工程学院纳米电子学和结构实验室（LANES）的研究人员介绍了一种新型处理器，这种处理器将数据处理和存储整合到一个设备上，即所谓的内存处理器，从而解决了这种低效问题。他们在二维半导体材料的基础上创造出了第一个由1000多个晶体管组成的内存处理器，开辟了新的领域，这是通往工业化生产道路上的一个重要里程碑。在发表于《自然-电子学》（NatureElectronics）杂志上的一篇论文中，EPFL工程学院纳米电子学与结构实验室（LANES）的研究人员介绍了一种新型处理器，这种处理器将数据处理和存储整合到一个设备上，即所谓的内存处理器，从而解决了效率低下的问题。他们在二维半导体材料的基础上创造了首个由1000多个晶体管组成的内存处理器，开辟了新的领域，这是通往工业化生产道路上的一个重要里程碑。图片来源：2023EPFL/AlanHerzog冯-纽曼的遗产领导这项研究的安德拉什-基斯（AndrasKis）认为，当今CPU效率低下的罪魁祸首源自普遍采用的冯-诺依曼架构。具体来说，就是将用于执行计算和存储数据的组件物理分离。由于这种分离，处理器需要从存储器中检索数据来执行计算，这就需要移动电荷、对电容器充电和放电以及沿线传输电流，所有这些都会耗散能量。直到20年前，这种架构还是合理的，因为数据存储和处理需要不同类型的设备。但是，冯-诺依曼架构正日益受到更高效替代方案的挑战。基斯解释说："如今，人们正在努力将存储和处理合并成一种更通用的内存处理器，这种处理器包含的元件既可以用作存储器，也可以用作晶体管。他的实验室一直在探索如何利用二硫化钼（MoS2）这种半导体材料实现这一目标。"新型二维处理器架构在他们的《自然-电子学》论文中，LANES的博士助理GuilhermeMigliatoMarega和他的合著者介绍了一种基于MoS2的内存处理器，专门用于数据处理中的基本操作之一：矢量矩阵乘法。这种运算在数字信号处理和人工智能模型的实施中无处不在。提高其效率可为整个信息和通信技术领域节省大量能源。他们的处理器将1024个元素组合在一个一厘米见方的芯片上。每个元件包括一个二维MoS2晶体管和一个浮动栅极，浮动栅极用于在存储器中存储电荷，从而控制每个晶体管的导电性。以这种方式将处理和存储器耦合在一起，从根本上改变了处理器进行计算的方式。基斯解释说："通过设置每个晶体管的电导率，我们只需向处理器施加电压并测量输出，就能执行模拟矢量矩阵乘法运算。"向实际应用迈进一大步在开发内存处理器的过程中，材料MoS2的选择起到了至关重要的作用。首先，MoS2是一种半导体，这是开发晶体管的必要条件。与当今计算机处理器中使用最广泛的半导体硅不同，MoS2形成了一个稳定的单层，只有三个原子厚，只与周围环境发生微弱的相互作用。它的薄度为生产极其紧凑的设备提供了可能。最后，这是一种Kis实验室非常熟悉的材料。2010年，他们利用从晶体上剥离下来的单层MoS2材料，用苏格兰胶带制作出了第一个单层MoS2晶体管。在过去的13年中，他们的工艺已日趋成熟，而米利亚托-马雷加（MigliatoMarega）的贡献功不可没。"从单个晶体管到超过1000个晶体管，关键的进步在于我们能够沉积的材料质量。经过大量的工艺优化，我们现在可以生产覆盖着一层均匀的MoS2的整个晶片。这使我们能够采用行业标准工具在计算机上设计集成电路，并将这些设计转化为物理电路，从而为大规模生产打开大门，"基斯说道。振兴欧洲芯片制造业除了纯粹的科学价值外，Kis还认为这一成果证明了瑞士与欧盟之间紧密科学合作的重要性，特别是在旨在加强欧洲在半导体技术和应用方面的竞争力和适应力的《欧洲芯片法案》背景下。"欧盟的资助对这个项目和之前的项目都至关重要，包括资助第一个MoS2晶体管的工作，这表明欧盟的资助对瑞士是多么重要，"基斯说。"同时，这也表明了瑞士所做的工作如何能让欧盟在重振电子制造的过程中受益。例如，欧盟可以专注于开发用于人工智能加速器和其他新兴应用的非冯-诺依曼处理架构，而不是与其他人进行同样的竞赛。通过定义自己的竞赛，欧盟可以抢占先机，确保在未来占据有利地位。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1397345.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1397345.htm