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新的2D材料展现出奇特的量子性质

发布时间:2018-05-16  点击数:[60]

MIT最近发表的一项研究详细介绍了一种理论分析,显示一系列二维材料表现出奇特的量子特性,可以启用一种新型纳米级电子器件。 /

预计这些材料会显示出一种称为量子自旋霍尔(QSH)效应的现象,属于一类称为过渡金属二硫族化合物的材料,层的厚度为几个原子。研究结果在本周发表在“科学”杂志上的一篇论文中详细介绍,该论文由麻省理工学院博士后Xiaoseng Qian和Junwei Liu共同撰写;物理学助理教授梁福;以及核科学与工程和材料科学与工程教授Ju Li。

QSH材料具有不寻常的特性,即在大部分材料中是电绝缘体,但在其边缘具有高导电性。许多研究人员认为,这可能使其成为新型量子电子器件的合适材料。

但是仅合成了两种具有QSH性质的材料,并且这些材料的潜在应用受到两个严重缺陷的阻碍:它们的带隙是制造晶体管和其他电子器件必不可少的性能,它太小,使得信噪比低,噪声比;他们缺乏快速开关的能力。现在,麻省理工学院的研究人员表示,他们已经找到了一些方法来潜在地避开使用为其他目的而探索的二维材料的障碍。

Fu说,现有的QSH材料只能在非常低的温度和困难的条件下工作,并补充说:“我们预测会发挥这种效应的材料是广泛可用的。 ......这种影响可以在相对较高的温度下观察到。“

“这里发现的是具有这种[QSH]特性的真正的二维材料,”李说。 “边缘就像完美的量子线。”

麻省理工学院的研究人员表示,这可能会导致新型低功率量子电子学,以及自旋电子学器件 - 一种利用电子自旋而不是电荷来传输信息的电子器件。

石墨烯是一种二维,单原子厚度的碳,具有不寻常的电学和机械性能,一直是许多研究的主题,这导致了对类似二维材料的进一步研究。但直到现在,很少有研究人员已经对这些材料进行了QSH效应的研究,MIT小组说。 “二维材料是很多潜在应用的一个非常活跃的领域,”钱先生说道 - 而且这个团队的理论工作现在表明,至少有六种这样的材料具有这些QSH特性。

麻省理工学院的研究人员研究了称为过渡金属二硫族化合物的材料,这是一种由过渡金属钼或钨以及非金属碲,硒或硫制成的化合物族。这些化合物自然形成薄片状,仅为原子厚度,可以在其晶体结构中自发形成二聚化图案。正是这种晶格二聚化产生了麻省理工学院团队研究的效果。

虽然这项新工作是理论性的,但该团队基于计算出的效果为新型晶体管设计了一个设计。被称为拓扑场效应晶体管(TFET)的设计基于单层2-D材料夹在两层二维氮化硼之间。研究人员表示,这种器件可以在芯片上以非常高的密度生产,并具有非常低的损耗,从而实现高效率的操作。

通过对材料施加电场,可以打开和关闭QSH状态,使得大量电子和自旋电子器件成为可能,他们说。

此外,这是量子计算机可能使用的最有前途的已知材料之一,研究人员说。量子计算通常容易受到干扰 - 在技术上,即使是非常小的干扰,也会造成连贯性的损失。但是,李说,拓扑量子计算机“不能从小的扰动中失去一致性。量子信息处理是一个很大的优势。“

由于对这些2-D材料进行其他研究已经在进行中,所以有效的制造方法可能会由其他团队开发,然后可以用于创建新的QSH电子设备。

普林斯顿大学物理学教授奈普安翁与这项工作无关,他说:“尽管之前提到过一些想法,但目前的系统似乎特别有前途。这个令人兴奋的结果将会弥合凝聚态物理,拓扑绝缘体和二硫属化合物两个非常活跃的子领域。“

这项研究得到了美国国家科学基金会,美国能源部和STC量子材料综合中心的支持。钱和刘对这项工作做出了同样的贡献。

出版物:Xiaofeng Qian等人,“二维过渡金属二硫族化合物中的量子自旋霍尔效应”,科学,2014; DOI:10.1126 / science.1256815

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler

图片:颜亮

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