計算設備的新鮮血液—TMD代替硅

在當今這個硅時代，電子行業已經發展到極致，計算機晶元不能再小型化，使用高功率的處理器又會增加能源成本，那我們發展的下一個方向是什麼？為了攻克這個瓶頸，眾多科學家轉而研究自旋電子器，試圖尋找一種新型特殊材料來推動創新型計算設備的發展。

在真空環境下保存的TMD

目前普遍流行的硅基電子器件耗能的大部分以廢熱形式損失掉，相較於此，未來電子器件將完全涉及低功率計算。這種技術被稱為自旋電子學，它依賴於電子的量子物理特性，即上旋或下旋，用於處理和存儲信息，而不是用電來傳輸;類似於傳統的計算技術。

為了努力使自旋電子器件成為現實，亞利桑那大學的研究人員一直在分析一種奇特的材料——過渡金屬二硫屬化合物（TMDs）。TMD具有奇特的特性，其能夠以獨特的方式處理和存儲信息，為下一代光伏和晶體管奠定了基礎，並為量子計算打開了大門。

亞利桑那化學與生物化學系五年級博士生Calley Eads與其他同事一直在研究這些創新材料的具體特點，例如，實時使用硅基太陽能電池，只能將約25％的太陽能轉化為電能，因此效率是一個問題。她表示：「在捕獲能源這塊還有巨大的提升空間，而這些材料可能會做到這一點。」

然而，這種材料有一個嚴重缺點，這種材料有一個嚴重缺點，就是大多數TMD只有在面積大厚度薄的薄片中才會呈現奇特的特性，它要求薄片只有一到三個原子厚。即使在實驗室中，這樣的原子層也很難生產，更遑論工業大規模生產。

管理該部門的教授兼顧問Oliver Monti表示，研究人員正在進行一些嘗試，為低能量電子、量子通信和太陽能電池開發原子級薄度的材料。據《自然通訊》雜誌報道，他的小組分析了含有硫和錫雜散層的TMD，最近發現有一條捷徑可走。他說「想要得到這些屬性，沒必要去苛求原子級薄片，我們可以採用現成的更方便的晶體線形式，這將大大簡化設備的設計。」

研究團隊成功解密電子運動方式

這些材料非同尋常，我們不斷從它們身上發現可以使用的優異特性，但是我們怎麼確定這些材料的特性可以使用呢？一種方法就是理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，例如用傳統計算機的光而不是電流。

為了進行這項研究，研究人員必須克服以前無法解決的難題-怎麼在流過晶體時「觀察」個別電子？

Monti說：「我們建立了一個本質上可以像秒錶一樣移動電子的時鐘模型，能夠首次直接觀察電子在晶體中的實時移動。在這之前，只能使用理論模型間接觀察。」

這項研究是一個重大的進展，開發了可使TMD成為未來加工技術的新奇材料的特性，因為這要求對電子行為和周圍環境的深入了解。

Monti的「秒錶」模型能夠以阿秒解析度跟蹤移動的電子，其中阿秒是十億分之一秒。追蹤晶體中的電子的同時，研究人員還發現了另一件現象-電荷流動依賴於方向，這一發現與物理定律相悖。

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的小組使用高強度、可調諧的X射線源來激發分析樣本的單個電子，並提高到更高的能量級

Monti解釋道：「當電子以這種方式激發時，相當於一輛汽車的時速從10英里飆升到數千英里。它想要擺脫這種巨大的能量，並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特徵，可被我們的設備觀察到。」

團隊可以通過這方式來實現區分受激電子是保留在材料的同一層內，還是移動到晶體中的相鄰層。

「我們觀測到以這種方式激發的電子散布在同一層，而且速度非常快，大約為幾百個阿秒」然而移動到相鄰層的電子要花費10倍以上的時間才能恢復到基礎能量狀態，這種差異使團隊能夠準確區分這兩類電子。

本文的第一作者Eads表示：「很高興能發現層內發生電荷分布的定向機制，而不是在層間，要知道之前還沒有誰觀察到這個。」

TMD更適宜大規模生產

蒙蒂表示，雖然用於追蹤電子的X射線「時鐘」不是可視化應用的一部分，但它是分析電子內部電子行為的一種機制。這是獲得含所需特性技術成果的必要起始步驟，技術成熟後便可批量生產。

他闡述道：「我們在這些材料中觀察到一個異常現象-材料右邊的電子與左邊不同，理論上這不應該發生，因為根據標準物質的物理，左邊或右邊是完全一樣的東西。但是，物理規則卻不適用於這種材料。」

TMD電子的方向性使研究人員著迷，因為它可以用於編碼信息。

蒙蒂說：「向右排布可以編碼為『1』，左側為『0』。所以如果我能整齊地向右排布電子，代表我輸出了一串『1』，如果我能整齊地向左邊排布電子，我就輸出了一串『0』。」

科學家可以用這種方式來調節電子，不是施加電流而是通過使用光（例如激光）來光學讀取，寫入和處理信息。或許有一天，甚至可能光學存儲信息，打開量子計算的大門。

Eads表示：「每年都在這些材料中有越來越多的發現，你可以從它身上觀察到什麼樣的電子屬性，就能找出相對應的應用。從超導，半導體到絕緣以及可能更多的方面，它們都有各種各樣的應用潛力。」

Monti指出，這裡所報道的研究只是調查分層TMD晶體的意料之外的特性的一種方法。他說：「如果你在矽片上做這個實驗，你就不會看到這個，無論你做什麼、怎麼做，硅永遠像一個三維晶體。因為TMD的特性完全是關於分層的。」

原文來自azom，原文題目為：Substituting Silicon with TMDs - Improving Computing Devices，由材料科技在線匯總整理。

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