物理學家破解了導體,絕緣體的新型量子材料,更好地用於電子設備

2020-12-04 科學探索站

物理學家破解了導體,絕緣體的新型量子材料,更好地用於電子設備。量子材料是一種奇怪的物質,通過我們的iPhone傳導電能的效率可以比常用的導體矽高很多倍 - 如果只有物理學家可以破解這些物質的工作方式。

密西根大學的一位物理學家在詳細介紹一種新型量子材料 - 十二硼化鐿或YbB12方面已經向前邁進了一步,並對通過這種材料傳導電能的效率進行了成像。這種材料導電性的證明將有助於科學家了解這些電磁材料中的自旋,電荷和能量流動。

YbB12是一種非常乾淨的晶體,它與導體和絕緣體的特性相同。也就是說,YbB12的散裝內部是絕緣體並且不導電,而其表面在導電方面非常有效。但是研究人員需要能夠準確地測量這種材料的導電性能。

「現在,我們正在使用手機通話。手機內部是關鍵部件:由矽製成的電晶體,通過設備傳輸電能,」U-M物理學副教授項目負責人Lu Li說。 「這些矽半導體使用他們自己的大部分材料來製造電流路徑。這使得製造電子設備變得更快或更緊湊變得困難。」

用量子材料製成的矽電晶體取代手機的矽電晶體將使手機更快,更輕。這是因為器件內部的電晶體可以在其表面上非常快速地導電,但是可以做得更小,在金屬絕緣內部的一層下面有一個較輕的芯。

量子材料不僅限於為我們的手機供電。它們可以用於量子計算,這個領域仍處於起步階段,但可用於網絡安全。我們的計算機目前通過以二進位數字處理數據來工作:0和1.但是計算機以這種方式處理數據的速度有限。相反,量子計算機將使用原子和電子的量子特性來處理信息,從而更快地處理大量信息。

Li研究了YbB12以了解材料如何導電。在一種非常有效地導電的清潔金屬中,電子在金屬內形成簇。

這些簇的擺動導致材料的電阻振蕩。這種振蕩告訴研究人員材料能夠如何有效地導電。在這項研究中,李能夠測量散裝絕緣子的電阻振蕩,這是他四年來一直試圖解決的問題。

為了測量這種振蕩,Li在佛羅裡達州國家高磁場實驗室的一個實驗室裡使用了一個非常強大的磁鐵。Li說,這種磁鐵類似於用來將照片固定在冰箱上的磁鐵,但強度要高出許多倍。冰箱磁鐵的拉力約為0.1特斯拉,是磁場的測量單位。佛羅裡達實驗室的磁鐵拉力為45特斯拉。這比MRI機器中使用的磁鐵強大約40倍。

為了測量YbB12的效率,Li在磁體存在下通過樣品流過電流。然後,他檢查了樣品中電壓下降了多少。

「我們終於得到了正確的證據。我們發現一種材料在其內部是一種良好的絕緣體,但在其表面是一種良好的導體,我們可以在該導體上製作電路,」Li說。 「你可以想像,你可以在一個微小的表面上找到一個可以想像的快速移動的電路。這就是我們希望未來的電子設備所能實現的。」

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