电子学应用论文 “谷电子学“会引领新的技术革命吗？

"谷电子学"会引领新的技术革命吗？

图片说明：“谷电子学”会引领新的技术革命吗？物理学家的一篇新论文详细阐明了这一新技术。 图片来源：phys.org

物理学家在前沿科学--自旋物理学中的新发现预示了一项新技术革命的到来，即谷电子学。

发表于Nature Communications上的一篇文章中，来自英国巴斯大学（Bath University）和一些国际研究人员的物理学家深入研究了硅晶体管中谷极化对电子自旋极化的影响。

通过使用特殊工艺在稳态中极化谷（即描述了电子波长和能量关系的其中一个方面），他们首次发现，与预期相反，谷极化可促进自旋极化。

预计这项工作将大大促进谷电子学的发展，可应用于量子计算等多个领域。

谷自由度

关于硅材料中的谷科学研究已经开展了一段时间了，谷科学在加速硅晶体管方面能起到很大作用，因而对电脑和智能设备的运转很重要。

在传统硅晶体管中，谷是个麻烦的东西，因为它降低了电子在没有散射情况（能量耗散）下的运动速度。

类似地，在有关基于量子信息的器件发面的研究时，谷被认为是退相干的来源（导致了信息量子部分丢失），同时还能阻碍了量子比特（量子力学中类似比特的单位）对所储存信息的维护。

而谷电子学与其恰恰相反，它是一项利用谷并发挥其优势的学科。关于谷电子学，近来有很多理论研究的建议。为了建立硅谷电子学技术，研究人员首先需要能控制其运动并充分掌握其与其他自由度的相互作用。

本文的第一作者，物理系的Kei Takashina博士解释道：“最近这几年内，人们在最新发现的原子级材料中开展了大量关于谷自由度的研究，比如在神奇的石墨烯中进行了研究，这关系到电子在其他电子材料，例如硅中的运动特性。”

“在文中，通过特殊的技术在我们研究了硅晶体管中稳态情况时谷极化为自旋极化的影响。按照我们所能想象的电子运动最简单的方式，它们之间独立运动，因此谷极化难度是自旋极化的两倍。与之形成鲜明对比的是，我们发现在电子密度足够低，当谷冰冻时它们的自旋很容易排列成对，这充分展示了电子间相互作用如何引起质变。”

"我们正在试图找出硅晶体管中电子的基本原理，因为我们能从电学上控制谷极化，利用谷物理与自旋物理的关系，从而得到新的发展基于硅的自旋电子学或基于硅量子信息处理的互补金属氧化物半导体（complementary metal-oxide semiconductor ，CMOS）技术。"

除了能促进硅谷电子学工艺流程的发展之外，他们的最新发明还阐述了一个基本科学问题，即二维电子系统的本质是什么？研究人员很早就知道不同相态取决于不同的电子密度，但是，这一发明表明，谷自旋退相干性能稳定，有一种新液相态存在。（科学之家，译审：Y Li）

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喷墨打印构建“不可能的”超材料

喷墨打印构建“不可能的”超材料

科技日报北京6月22日电 (实习记者张佳欣)超材料是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料在自然界中不存在，有时又被称为“不可能的材料”。据21日发表在《自然·电子学》上的论文介绍，美国塔夫茨大学工程师利用低成本的喷墨打印技术，用有机聚合物构建了一种超材料，可应用于大型整合面或与生物环境有关的接口，并首次展示了该超材料可用电调节其性能。

电磁超材料及其二维形式——超表面，是以特殊方式与电磁波相互作用的复合结构。这些材料由微小结构组成，这些结构比它们所影响的能量的波长还要小，重复排列，显示出独特的波相互作用能力，用这种材料设计出的非传统反射镜、透镜和滤光器，能对波进行阻挡、增强、反射、透射或弯曲，超越了传统材料的性能。

本研究中的超材料由薄膜有机聚合物构建，还可以用于医疗设备通信，因为其具有生物相容性，在功能上成为一种酶偶联传感器，而其固有的灵活性可以使设备形成适合在人体上或体内使用的整合面。

研究人员用导电聚合物作为衬底，再用喷墨打印特定的电极图案，使其产生微波谐振，便成为一种超材料。谐振器是通信设备中的重要组件，可以帮助过滤吸收或传输的能量频率。打印设备可通过电调谐来调整调制器过滤的频率范围。

工作在微波频谱中的超材料器件在电信、GPS、雷达和移动设备中有广泛的应用潜力，可以显著提高它们的信号灵敏度和发射功率。

塔夫茨大学工程学院弗兰克·C·多布尔工程教授、该研究通讯作者菲奥伦佐·奥梅内托说：“我们展示了在电磁频谱的微波区域运行时，对超表面和超设备的特性进行电调节的能力。”

目前的元设备技术在很大程度上依赖于复杂而昂贵的材料和制造工艺，而新技术则廉价、可扩展。研究小组开发的调谐策略完全依赖于薄膜材料，这些材料可以大规模印刷或打印在各种衬底上，进行处理和沉积。通过调整衬底聚合物的电学特性，能在更高频率(5GHz)范围内操作器件。

目前，纳米级波长的可见光超材料的开发仍处于早期阶段，而厘米级波长的微波能量超材料的制造则相对容易。研究人员认为，他们所使用的喷墨打印和其他沉积制造方法，可以测试在更高频率下工作的超材料。

来源： 科技日报

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