此项研究可能引领用量子材料替代电子产品中的硅组件。

研究人员发现了一种让电子设备运行速度快1000倍的方法。

这一突破是通过一种名为“热淬火”的技术，实现“按需改变物质的电子态”而达成的。

该技术允许一种量子材料按需在金属导电态和绝缘态之间切换 —— 仅需通过受控的加热和冷却即可实现。

来自东北大学的开发团队认为，这项工作可能引领用量子材料替代电子产品中的硅组件。

这一转变将使得设备既能实现指数级的缩小，又能显著提高速度。

“目前的处理器工作在吉赫兹（GHz）级别。这项技术所能实现的转变速度将使你能够进入太赫兹（THz）领域，”物理学助理教授兼第一作者阿尔贝托·德拉托雷（Alberto de la Torre）表示。

特殊的量子材料

多年来，硅一直是计算机、手机和其他电子设备中不可或缺的部分。

随着对快速和小型设备的需求不断增长，硅正在接近其速度和功耗的极限。

该团队寻求一种能够以比当前吉赫兹速度快一千倍的速度处理信息的解决方案。

就像翻转电灯开关一样，这种名为1T-TaS₂的量子材料可以在完美的电导体和完美的绝缘体之间瞬间切换。有趣的是，这些状态可以瞬间逆转。

团队通过将光照射在这种特殊的量子材料上实现了这一目标。

在接近室温的条件下用光照射量子材料，使研究人员能够实现一种“导电金属态”。这种状态以前只在极低的低温（深冷温度）下才稳定存在。

他们表示，控制量子材料可能重塑整个电子学领域。

“每个用过计算机的人都遇到过希望某些东西加载更快的时候。没有什么比光更快，而我们正是使用光以物理定律所允许的最快速度来控制材料的特性，”物理学教授格雷戈里·菲埃特（Gregory Fiete）说。

更小的未来设备

当前的电子设备既需要导电材料，也需要绝缘材料，以及它们之间复杂的界面。

这项发现使得仅用一种材料就能完成这两项工作，仅需用光即可控制。它消除了复杂的工程挑战，为制造显著更小、更强大的设备打开了大门。

“我们通过将所有功能集成到一种材料中，从而消除了一项工程挑战。并且我们用光替代了界面，可在更宽的温度范围内工作，”菲埃特补充道。

菲埃特指出，虽然工程师们目前正在三维方向上堆叠高密度硅半导体以集成更多逻辑单元，但这种方法有其局限性。

因此，微小的量子材料对于未来的电子设计变得越来越重要。

“我们正处于一个关键时刻：为了在信息存储或操作速度上取得惊人的提升，我们需要一种新的范式。量子计算是处理此问题的一条途径，另一条途径是在材料上进行创新。这正是这项工作的真正意义所在，”菲埃特总结道。

材料科学的重大突破

这项研究标志着材料科学和电子学未来的一个重大突破。这是一项变革性的进步，就像晶体管通过实现更小、更强大的设备而彻底改变了计算一样。

除了这项最新研究之外，还有持续的研究致力于为未来设备寻找新的量子材料。

例如，今年5月，莱斯大学的研究人员开发出一种具有独特电子特性的新型量子材料 —— 克莱默斯节线金属（Kramers nodal line metal）。

他们通过精确的化学变化微调其原子结构实现了这一点，这有可能为超高效电子系统铺平道路。

该研究成果已发表在《自然·物理学》期刊上。

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