研究人员通过对一种名为1T-TaS₂的量子材料进行加热和冷却，能够控制其导电特性。研究表明，这类材料可将电子处理速度提高一千倍。

研究人员表示，这种按需改变电子态的新方法可以使电子设备的速度和效率提高1000倍。

在6月27日发表于《自然·物理学》期刊的一项新研究中，科学家们发现，对量子材料进行受控的加热和冷却，可以根据温度使其既绝缘又导电。

这种名为1T-TaS₂的材料，有潜力取代笔记本电脑和智能手机等电子设备中的传统硅元件。研究团队提出，量子材料可以在指数级缩小空间占用的同时，更快地完成相同的任务。

如果像1T-TaS₂这样的材料被用于电子设备，它们每秒可处理的信息量将增加1000倍。该研究的通讯作者、美国东北大学的材料物理学家阿尔贝托·德拉托雷在一份声明中说：“当前的处理器工作在吉赫兹（GHz）级别。这种（材料带来的）状态变化速度将使你能达到太赫兹（THz）级别。”

热淬火

研究人员使用的技术称为热淬火。它包括向具有独特量子特性的材料照射光以激活其特性，从而提高其温度。对于1T-TaS₂而言，被激活的特性是金属导电性。

研究人员在研究中称这种稳定的状态为“隐藏金属态”。此前也曾实现过这种状态，但只能在极低的低温下维持不到一秒钟。科学家们在声明中表示，新研究证明，通过温度波动可以在更实用的温度下（约华氏零下100度，即摄氏零下73度，比过去的实验温度高250多度）获得这种特性。更重要的是，使用这种方法，1T-TaS₂材料能一次维持其导电性长达数月，这是前所未有的成就。

当光被移除时，材料的温度下降，1T-TaS₂会恢复到其原始的绝缘状态。这种效果可与晶体管相媲美 —— 晶体管是大多数现代电子产品中控制电流的半导体器件。根据摩尔定律，晶体管的进步通常被认为是计算机从曾经占据整个房间的庞然大物缩小到可以放入口袋的关键。

该论文的合著者、美国东北大学理论物理学家格雷戈里·菲耶特在声明中说，理解如何控制量子材料有潜力类似地变革电子领域。

“我们的目标是实现对材料特性的最高水平控制，”他说，“我们希望它能非常快速地做出某种反应，并产生非常确定的结果，因为这类特性才能在设备中被利用。”

“没有什么比光更快”

菲耶特解释说，找到在更高温度下切换导电状态的方法，对于最终取代硅基技术具有变革性意义。传统的硅半导体包含许多密集堆叠的逻辑元件，这存在物理限制。

由于这种新技术将导电和绝缘特性结合到单一物体中，量子材料可以在占用空间小得多的情况下完成与硅元件相同的任务。“我们通过将所有功能集成到一种材料中，消除了一项工程挑战，”他说。

热淬火还可能提高计算速度，因为它依赖光来控制导电性。“每个使用过电脑的人都曾希望某些东西能加载得更快，”菲耶特补充道，“没有什么比光更快，而我们正在使用光以物理学允许的最快速度来控制材料特性。”

这项研究为电子学开辟了一个新的未来，工程师可以即时控制材料的特性。“我们正处于这样一个阶段：为了在信息存储或运行速度方面取得惊人提升，我们需要一个新范式，”菲耶特说，“这正是这项工作的真正意义所在。”

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