UA研究人员观察电子在晶体中拉扯

硅时代的结束已经开始。随着计算机芯片接近小型化的物理极限和耗电量大的处理器增加了能源成本，科学家们正在寻找一种新的异国材料，可以培育新一代的计算设备，承诺将性能提升到新的高度，同时减少能源消耗消费。

与目前基于硅的电子产品不同，它们消耗的大部分能量都是废热，未来的全部是低功耗计算。这项技术被称为自旋电子学，它依赖于电子的量子物理特性 - 向上或向下旋转 - 来处理和存储信息，而不是像传统计算那样用电来移动它们。

在寻求使自旋电子设备成为现实的过程中，亚利桑那大学的科学家们正在研究一种被称为过渡金属二硫化物(TMD)的异国材料。TMD具有令人兴奋的特性，可以为处理和存储信息提供新的方法，并可以为未来的晶体管和光伏发电奠定基础 - 甚至可能为量子计算提供一条途径。

例如，目前基于硅的太阳能电池实际上只有大约25%的阳光转化为电能，因此效率是一个问题，UA 化学和生物化学系五年级博士生Calley Eads说，他研究了一些属性这些新材料。“收获能源可能会有巨大的改善，这些材料可能会做到这一点，”她说。

然而，有一个问题：大多数TMD仅以非常大的薄片形式显示其魔力，但只有一到三个原子变薄。这种原子层具有足够的挑战性，足以在实验室规模上制造，更不用说在工业大规模生产中。

Oliver Monti是UA化学与生物化学系的教授。(图片：Timo Florian / Humboldt University，柏林)

据该部门教授和Eads顾问Oliver Monti称，正在进行许多努力来设计用于量子通信，低功耗电子和太阳能电池的原子级薄材料。他的研究小组最近发现了一种可能的捷径，发表在“自然通讯”杂志上，研究了由锡和硫的交替层组成的TMD 。

“我们表明，对于其中一些属性，你不需要去原子薄片，”他说。“你可以选择现成的更容易获得的结晶形式。一些属性得以保存并存活下来。“

了解电子运动

当然，这可以大大简化设备设计。

“这些材料非常不寻常，我们不断发现它们越来越多，它们揭示了我们认为可以使用的一些令人难以置信的功能，但我们怎么知道呢?”Monti说。“要知道的一种方法是了解电子如何在这些材料中移动，这样我们就可以开发新的操作方法 - 例如，用传统计算机做光而不是电流。”

为了做这项研究，团队必须克服以前从未被清除的障碍：找出一种方法来“观察”单个电子流过晶体时的电子。

“我们制造的本质上是一个可以像秒表一样移动电子的时钟，”蒙蒂说。“这使我们能够对电子的第一次直接观察实时移动。到目前为止，这只是通过理论模型间接完成的。“

这项工作是利用TMD为未来处理技术提供有吸引力的候选特性的重要一步，因为这需要更好地了解电子在其中的行为和移动方式。

Monti的“秒表”使得以仅阿秒(十亿分之一秒)十分之一的分辨率跟踪移动电子成为可能。跟踪晶体内部的电子，该团队又发现了一个问题：电荷流取决于方向，这种观察似乎在物理学面前飞扬。

与陆军研究实验室的计算物理学家Mahesh Neupane和斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的X射线光谱学专家Dennis Nordlund合作，Monti团队使用可调谐的高强度X射线源激发其中的单个电子。测试样品并将其提升至非常高的能量水平。

“当电子以这种方式被激发时，它相当于一辆汽车从每小时10英里推到每小时数千英里，”Monti解释道。“它希望摆脱巨大的能量，并回落到原来的能量水平。这个过程非常短暂，当发生这种情况时，它会发出一个特定的签名，我们可以用我们的仪器来获取。“

研究人员能够以这样的方式做到这一点，使他们能够区分激发的电子是否停留在材料的同一层内，还是分散到整个晶体的相邻层中。

“我们看到以这种方式激发的电子在同一层内分散并且速度非常快，大约几百阿秒，”Monti说。

相比之下，穿过相邻层的电子需要花费10倍以上的时间才能恢复到地面能量状态。这种差异使研究人员能够区分这两个群体。

“我非常兴奋地发现电荷分布的定向机制发生在层内，而不是跨层，”该论文的第一作者Eads说。“以前从未观察过。”

更接近大规模制造业

用于跟踪电子的X射线“时钟”不是预想应用的一部分，但是研究电子内部电子行为的手段，Monti解释说，这是迈向技术的必要的第一步，具有可能质量的所需特性-manufactured。

“我们在这些材料中看到的异常行为的一个例子是向右移动的电子与向左移动的电子不同，”他说。“这不应该发生 - 根据标准材料的物理特性，左侧或右侧是完全相同的。然而，对于这些不属实的材料。“

这种方向性是TMD对科学家有吸引力的一个例子，因为它可以用来编码信息。

“向右移动可以编码为'一个'，向右移动为'零'，”蒙蒂说。“因此，如果我能够产生整齐地向右移动的电子，我已经写了一堆，如果我能够生成整齐地向左移动的电子，我就会产生一堆零。”

工程师可以使用诸如激光之类的光以这种方式操纵电子，而不是施加电流，以光学写入，读取和处理信息。也许有一天甚至有可能光学纠缠信息，为量子计算扫清道路。

“每年，这些材料中都会发现越来越多的发现，”Eads说。“它们在你可以观察到的电子特性方面正在爆炸。从超导，半导体到绝缘，以及可能更多的方式，它们可以有多种方式发挥作用。“

根据Monti的说法，这里描述的研究只是一种探测分层TMD晶体意外，令人兴奋的特性的方法。

“如果你在硅片上做过这个实验，你就不会看到任何这个，”他说。“无论你做什么，硅都会像三维水晶一样。这完全是关于分层。“