2024年7月1日，麻省理工学院（2024USNews美国大学排名：2）的物理学家们在新型晶体薄膜中观察到了创纪录的电子迁移率。这一突破不仅在材料科学领域引起了广泛关注，也为未来的电子设备，特别是可穿戴热电设备和自旋电子设备，提供了新的可能性。本文将深入探讨这一发现的背景、潜在应用以及相关的科学原理。
首先，让我们了解一下什么是电子迁移率。电子迁移率是衡量电子在材料中移动速度的一个重要参数。高电子迁移率意味着电子在材料中流动时遇到的阻力较小，从而提高了材料的电导率和效率。麻省理工学院的研究团队通过合成一种新型的三元四方矿物薄膜，成功实现了迄今为止最高的电子迁移率。这种材料的电子迁移率达到了10,000 cm²/V-s，远远超过了以往任何同类材料。
这一发现的关键在于优化晶体结构以减少缺陷。晶体结构中的缺陷会阻碍电子的流动，从而降低电子迁移率。通过精细调整晶体的生长条件，研究团队成功减少了这些缺陷，使得电子能够更自由地在材料中移动。这一过程不仅需要高超的实验技巧，还需要对材料科学的深刻理解。
除了优化晶体结构，研究团队还利用量子振荡来测量电子迁移率。量子振荡是一种在强磁场下观察到的电子行为，通过分析这些振荡，科学家们可以精确估计材料的电子迁移率。这一方法不仅提高了测量的准确性，还为研究新材料提供了一个强有力的工具。
这一突破的潜在应用非常广泛。首先是可穿戴热电设备。热电设备可以将热能直接转化为电能，具有广泛的应用前景，如智能手表、健康监测设备等。高电子迁移率的材料可以显著提高这些设备的效率，使其在更低的温度差下产生更多的电能，从而延长设备的使用时间。
其次是自旋电子设备。自旋电子学是一种利用电子自旋而非电荷来传输信息的新兴技术。与传统电子设备相比，自旋电子设备具有更高的速度和更低的能耗。高电子迁移率的材料可以提高自旋电子设备的性能，使其在信息处理和存储方面具有更大的潜力。
在讨论这些应用之前，我们需要了解一下Valleytronics这一新兴领域。Valleytronics利用材料的电子性质中的新自由度，有望彻底改变电子行业和量子计算。通过控制和操纵材料的“山谷”，Valleytronics可以实现更高速度、更大存储容量和更低能耗的信息处理和存储。研究人员通过研究二维材料如石墨烯和过渡金属二硫化物等材料的独特电子性质，发现这些材料具有多个局部能量极值或“山谷”，可用于各种应用。
Valleytronics的关键原则包括山谷指数、山谷极化、山谷选择性传输现象和山谷相干等。尽管存在材料和制造问题，但研究人员不断取得进展。Valleytronics的重要应用包括山谷逻辑门、非易失性山谷存储器件、山谷光电子学和量子计算。最近的研究发现包括锡(II)硫化物作为候选山谷电子学材料的潜力，以及在石墨烯中实现山谷操作的突破。研究人员还开发了一种相干控制协议，实现了二维材料中的山谷选择性激发和在飞秒内切换山谷。
尽管存在挑战，如缺陷、无序性和可扩展性等问题，但随着研究人员不断取得进展，Valleytronics有望在未来几年取得重大进展，实现实际设备的应用。这一领域的研究不仅为新材料的发现提供了可能性，也为未来的电子设备开辟了新的方向。
回到麻省理工学院的研究，这一突破还展示了量子振荡作为衡量材料电子性能的有效工具。量子振荡是一种在强磁场下观察到的电子行为，通过分析这些振荡，科学家们可以精确估计材料的电子迁移率。这一方法不仅提高了测量的准确性，还为研究新材料提供了一个强有力的工具。
例如，2024年1月24日发表的一项研究报道了一种利用Weyl半金属NbP的磁电阻耦合晶体管。该晶体管通过集成超导体产生的局部磁场调制该材料的极端磁电阻来实现。该设备利用FIB加工的NbP微晶体，具有超过1,000,000 cm²/Vs的载流子迁移率和5K和9T下超过10,000%的磁电阻。这些特性使得Weyl晶体管能够以极低功耗水平实现极高的跨导增益，表明相对于标准低温放大器技术，其具有改进的潜力。该设备在量子计算机的低功耗放大器中的量子比特读取信号放大方面具有极高的吸引力。结果为集成Weyl半金属电子学的未来发展指明了一条有希望的道路。
此外，研究还报道了一维光子晶体结构（GaP/SiO2）N/Al2O3/(GaP/SiO2）N的极其敏感的压力传感能力。通过在由GaP和SiO2交替层构成的结构中间放置一层Al2O3材料的缺陷层来实现所提出的结构。采用传输矩阵方法和MATLAB软件研究了所提出的缺陷一维光子晶体的传输特性。外加静水压力作用于所提出的结构，由于材料的压力相关折射率特性，导致结构中缺陷模式在光子带隙内的位置和强度发生变化。此外，还研究了结构的传输特性对入射角和缺陷层厚度等其他参数的依赖。理论得到的品质因子和灵敏度数值分别为17,870和72 nm/GPa，足以支持该设计可用作超敏感压力传感器。
综上所述，麻省理工学院的这一突破不仅在材料科学领域具有重要意义，也为未来的电子设备提供了新的可能性。通过优化晶体结构减少缺陷和利用量子振荡测量电子迁移率，研究团队成功实现了创纪录的电子迁移率。这一发现有望应用于可穿戴热电设备和自旋电子设备，为更高效、可持续的电子设备打下基础。同时，这一研究还展示了量子振荡作为衡量材料电子性能的有效工具，为发现和应用新材料提供了可能性。未来，随着研究的不断深入，我们有理由期待更多类似的突破，为科技进步和社会发展做出贡献。
参考新闻资料:
- Scientists observe record-setting electron mobility in a new crystal film | MIT News | Massachusetts Institute of Technology
- Scientists observe record-setting electron mobility in a new crystal film
- Valleytronics Explained
- Ultra-sensitive pressure sensing capabilities of defective one-dimensional photonic crystal | Scientific Reports
- Magnetoresistive-coupled transistor using the Weyl semimetal NbP | Nature Communications
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