首页技术中心技术动态美国东北大学量子材料领域新发现，或将使电子设备的速度提升1000倍。

美国东北大学量子材料领域新发现，或将使电子设备的速度提升1000倍。

发布时间：2025-07-02 15:28:38 阅读数： 91

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阿尔贝托·德拉·托雷通过控制加热和冷却，使一种量子材料在导电状态和绝缘状态之间切换。

美国东北大学的研究人员发现了一种按需改变物质电子状态的方法，这一突破性成果有望使电子设备的速度和效率提升1000倍。

通过在绝缘和导电状态之间切换，这一发现为用指数级更小、更快的量子材料取代电子设备中的硅元件开辟了可能性。

“目前处理器的工作频率为千兆赫，”物理学副教授、该研究的通讯作者阿尔贝托·德拉·托雷 (Alberto de la Torre) 表示，“这种技术变革将使处理器速度提升至太赫兹级别。”

通过受控加热和冷却，研究人员采用一种名为“热淬火”的技术，使量子材料在金属导电态与绝缘态之间切换。这些状态可通过相同技术瞬间逆转。

该研究成果发表于《自然物理》期刊，标志着材料科学领域及电子学未来的重要突破：实现对材料导电与绝缘状态的即时控制。

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这种效应类似于晶体管切换电子信号。正如晶体管使计算机得以小型化——从占满整个房间的庞然大物到你口袋里的手机——对量子材料的控制有望彻底改变电子学，东北大学物理学教授格雷戈里·菲特（Gregory Fiete）表示。他与德拉托雷（de la Torre）合作解读了这些研究成果。

“每个使用过电脑的人都会遇到这样一个时刻，希望某些东西能加载得更快，”菲特说，“没有什么比光速更快，而我们正在利用光来控制材料的特性，速度几乎达到了物理学允许的极限。”

通过在接近室温的条件下照射一种名为1T-TaS₂的量子材料，研究人员成功实现了此前仅能在极低温下稳定存在的“隐蔽金属态”。如今，研究人员已在更实用的温度下创造出这种导电金属态，德拉托雷表示，该材料可保持其编程状态长达数月——这是此前从未实现过的。

“一个重大挑战是，如何随心所欲地控制材料属性？”菲特说，“我们追求的是对材料属性最高程度的控制。我们希望它能以极快的速度实现特定结果，因为这种特性可以被应用于设备中。”

迄今为止，电子设备需要同时使用导电材料和绝缘材料，以及两者之间经过精心设计的界面。这一发现使得仅使用一种材料成为可能，该材料可通过光控制实现导电和绝缘功能。

“我们通过将所有材料整合到一种材料中，解决了其中一个工程挑战，”菲特说，“并且我们在更宽的温度范围内用光取代了界面。”

这项研究基于此前利用超快激光脉冲暂时改变材料导电方式的研究。但那些变化仅持续了极短的时间，且通常在极低温下进行。

菲特表示，在较高温度下实现稳定的导电性切换对量子力学而言是一项重大突破，对长期替代或补充硅基技术也具有重要意义。他指出，半导体中逻辑元件的密度已高到工程师不得不将其三维堆叠。但这种方法存在局限性，因此微型量子材料在电子设计中愈发重要。

“我们正处于一个关键节点，要想在信息存储或运行速度方面实现突破性提升，就必须采用全新的范式，”菲特说，“量子计算是解决这一问题的途径之一，另一条途径则是材料领域的创新。这就是这项研究的真正核心意义所在。”