世界不思議

僅兩層原子薄 世界最薄材料造更快存儲器


科學家發明出世界上最薄的存儲電子信息的材料:只有兩個原子的厚度。研究稱,這為量子隧穿只有原子級厚度的薄膜提供便利,比起現有的存儲技術,讀取信息的效率將得到大幅提升。

現在最高級的電子設備一般由含有百萬個原子的小晶體構成,每個小晶體的高、寬和厚度大約都是100個原子。把百萬個這樣的小單元擠壓大約百萬倍至只有一個硬幣大小的面積內,現代存儲設備每秒鐘在0和1數位之間切換的次數可達到百萬次。

這份由以色列特拉維夫大學(Tel Aviv University)完成的研究取得新的突破:第一次將晶體器件的厚度減小到只有兩個原子的水平。研究者之一沙洛姆(Moshe Ben Shalom)說,這樣薄的厚度讓基於電子量子特性的存儲信息在只有幾個原子厚度的材料屏障之間更快速和有效地切換,使得電子設備速度更快、體積和耗能更小。

研究提到一種名為「滑動電子學」(Slide-Tronics)的新技術,利用電子不同電荷相吸、同電荷相斥的原理,巧妙地堆疊兩層原子材料,使它們滑動達到穩定的狀態。

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研究介紹說,使用兩個單層的由硼和氮原子組成的材料疊加成雙層原子的材料。單層材料內,硼和氮原子排列成六角形的重復結構。當兩層疊加後,將打破這種晶體自然的對稱性。

「在自然的三維狀態下,這種材料由大量的單層、層層疊加起來組成,每一層相對它旁邊的一層都是旋轉了180度的狀態,也叫反平行結構(antiparallel configuration)。」沙洛姆說,「在實驗室里,我們人為地讓它們在不旋轉的情況下疊加起來,理論上說,就是在原子具有同性相斥的情況下,還是把同性的原子完美地疊加了起來。」

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「但是真實情況是,這些晶體相對它們旁邊的一層自動會稍微滑開一些,所以每層只有半數的原子完美地疊加在一起——它們是電荷相反的原子;其它的原子則稍微錯開一些,位於六角形中間的空穴里。這種人造結構裡面層與層之間並不太一樣。例如,如果最上面的一層只有硼原子重疊,那麼底層就是另一種情形。」

沙洛姆介紹說,利用滑動特性製造超薄系統的技術,不僅限於硼氮原子晶體,我們認為對其它有類似對稱特性的其它層疊晶體結構也適用。「這種利用層與層之間的滑動有效控制高級電子設備的概念的前景很好,我們把它叫做『滑動電子學』。」

這份研究發表於《科學》(Science)期刊。

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