分析量子態，尋找矽的替代者來衝破摩爾定律

2020-08-28 科技核心觀察

上左圖：氧化物異質結構的原子組成用彩色點表示：紫色代表釤，橙色代表鍶，淺藍色代表鈦，小紅點代表氧。上右圖：範霍夫奇點（VHS）動畫顯示，在由鈦酸鍶和鈦酸釤原子薄層構成的氧化物異質結構表面下方約1納米處（圖片：Ryo Mori/Berkeley實驗室）。

加州大學伯克利分校伯克利實驗室的科學家們發現一些物質可能有助於在與摩爾定律賽跑中找到矽的替代者。

在尋找性能優於矽的新材料的過程中，科學家們一直希望利用這種被稱為氧化物異質結構（oxide異質結構）的2D器件不尋常的電子特性，這種結構由含氧材料的原子薄層組成。

科學家們早就知道氧化物材料本身是典型的絕緣材料，這意味著它們不導電。當兩種氧化物材料分層在一起形成異質結構時，新的電子性質，如超導電性（一種材料可以在沒有電阻的情況下導電，通常在冰點以下幾百度）和磁性以某種方式在它們的界面形成，而這正是兩種材料相遇的地方。但是對於如何控制這些電子態知之甚少，因為很少有技術可以探測到界面下方。

現在，由能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Laboratory）領導的一個研究小組對原子薄氧化物異質結構的奇異電子性質的演變有了新的認識。他們的發現發表在《自然通訊》雜誌上，他們的發現可能會導致新的電子材料超越摩爾定律的限制，摩爾定律曾在1975年預測，封裝在微型矽基計算機晶片中的電晶體數量將每兩年翻一番。

在伯克利高級光源實驗室，由Alessandra Lanzara領導的研究小組，伯克利實驗室材料科學部的資深教授科學家和加州大學伯克利分校的物理學教授——使用一種稱為角分辨光電發射光譜（ARPES）的特殊技術，直接測量了限制在鈦酸鍶/鈦酸釤異質結層之間的電子結構。

在樣品內部大約1納米（十億分之一米）的深度進行探測，研究人員發現了兩種獨特的電子性質，稱為Van Hove singularity 範霍夫奇異性（VHS）和Fermi費米表面拓撲結構，凝聚態物理學家長期以來一直認為這兩種特性對於調節電子材料中的超導性和其他類似奇異電子態具有重要意義。

研究人員首次觀察到原子薄氧化物材料界面的VHS和費米表面拓撲結構，表明該系統是研究如何在二維材料中在原子尺度上控制超導電性的理想平臺。

「我們的發現為這個年輕的領域增添了新的信息。雖然這種氧化物電子產品的工業應用之路還很遙遠，但我們的工作是在開發超越摩爾定律的下一代替代傳統電子產品方面向前邁進了一步」。

科學家們下一步計劃進一步研究在更高溫度和不同電壓下，範霍夫奇點等電子性質是如何變化的。

來自伯克利實驗室、加州大學伯克利分校和加州大學聖巴巴拉分校的研究人員參與了這項研究。

參考文獻：「《 Controlling a Van Hove singularity and Fermi surface topology at a complex oxide heterostructure interface 》在複雜氧化物異質結構界面控制範霍夫奇異性和費米表面拓撲」，作者：Ryo Mori，Patrick B.Marshall，Kaveh Ahadi，Jonathan D.Denlinger，Susanne Stemmer和Alessandra Lanzara，2019年12月4日，自然通訊。

DOI:10.1038/s41467-019-13046-z

高級光源是美國能源部伯克利實驗室科學用戶設施辦公室。

這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。戈登和貝蒂摩爾基金會和國家科學基金會提供了額外的資金。

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