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神秘的Mott相變可望打造更好的電子元件?

上網時間: 2015年09月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Mott  相變  非平衡物理學  絕緣體  超導體 

「莫特相變」(Mott transition)至今仍是一個未能充份理解的現象,只知道它發生在轉移金屬硫族化合物和金屬氧化物的過程中。一般認為它是一種可受熱驅動的絕緣體—金屬相變元件,但也可以經由電流、壓力與摻雜以及透過原子級薄層內的量子限制調整結構。

在這方面的最新發現來自荷蘭溫特大學(University of Twente)奈米技術研究所MESA+ Insitute以及美國能源部(DoE)阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的研究人員共同組成的跨國研究團隊。

這個發現連結了相變的經典與量子力學觀點,並揭露了目前所知有限的非平衡物理學。大部份的物理學依據的主要前提假設是系統趨向於達到穩定且平衡的狀態。而根據研究人員表示,新的發現可望根據Mott相變元件進一步發展出一種更有效益的電子產品形式。

研究人員針對固定或流動的磁渦流研究配置了相關實驗,以辨識超導體的特性。他們發現,系統的表現就像是由電流(而不是由溫度)驅動的Mott 相變元件一樣。

根據阿頁國家實驗室表示,Mott 相變是不是一種量子現象目前還不是很清楚,而研究??人員也一直到現在才有機會直接觀察Mott 相變——透過電流驅動整個系統,使其從絕緣體轉變成金屬狀態的相變過程。

溫特大學的研究人員在金質薄膜上建立了一套包含90,000個超導鈮的奈米級島。在此配置下,磁渦流透過將能量淺凹沈入像蛋盒的佈置中確定最小能量配置,並使材料作為Mott絕緣體表現,因為如果施加的電流較小,渦流並不會移動。

然而,當施加個足夠大的電流時,系統翻轉成為一種導電金屬,研究人員們則觀察到一種動態的Mott相變;材料的特性隨電流驅動平衡而發生改變。

「我們可以經由控制,透過在系統上施加電流,誘導固定的渦流狀態向流動的渦流狀態發生相變,」溫特大學研究小組負人Hans Hilgenkamp表示,「研究我們所打造的這套人造系統中所發生的相變是十分有趣的,而且還可能更進一步觀察到實際材料中的電子轉變。」

阿貢國家實驗室研究員Valerii Vinokur表示,「再者,這套系統將會是對於非平衡物理學建立一個通盤瞭解的關鍵,以及物理學上的一項重大突破。」

Mott系統可以提供一種替代性的矽晶電晶體。因為它們可以在導電與絕緣狀態之間翻轉,而電壓的變化卻很小,而且能夠以更小的幾何尺寸編碼1與0,而為矽晶電晶體帶來卓越的性能。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Mysterious Mott Transition Could Make Better Electronics ,by Peter Clarke)





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