科学家首次将超导体与半导体结合在一起,展现出独特的特性

第一次,科学家们成功地将两种令人兴奋的材料结合在一起,它们分别是:仅有一粒原子厚度的超薄半导体材料、以及零电阻超导体。这些材料均具有不寻常的特性,而藉由通过一道精细的实验室制程将它们摆在一起,研究团队希望能够展开各种于古典与量子物理中的新应用。

科学家首次将超导体与半导体结合在一起,展现出独特的特性

超导体与半导体

半导体是支配着我们生活的电子器件的关键,从电视到手机都是。与普通金属相反,能让半导体如此有用的原因是,它们的导电率能够藉由施加不同电压来调整,这使得要开启和关闭电流变得容易。

研究中,单层的半导体二硫化钼(MoS 2)被抽取出来,并且被加入至制程当中。

接着,我们有在某种温度(通常是极度低温)之下,能够以完美的效率、且毫无热损地传递电荷的超导体。在此设置中,名称为钼铼(mMoRe)的超导体被加进了设备当中,而研究人员预期从他们结合起来的材料中观察到完全崭新的物理现象。

瑞士巴塞尔大学的物理学家安德烈亚斯·保加拿说:“在超导体中,电子们如同舞伴般地成对排列,产生诡异但很棒的舞蹈,例如没有阻碍的电流。另一方面,在半导体的二硫化钼中,电子们演出了完全不一样的舞蹈,一种奇特的独舞,还并入了自身的磁矩。而现在,我们想要找出,若是将这两种材料结合在一起,电子们会合意演出哪一种崭新且奇异的舞蹈。”

合并两种材料

对研究人员而言,如同此处所使用的超薄半导体是目前很热门的研究对象。它们可以被堆叠在一起,形成完全崭新的合成材料,即所谓的凡得瓦异质结构。

这些结构有很多具有潜力的创新用途,例如能够使用电场来控制电子磁性。然而,很多这些潜在用途都还是理论性的,因为科学家们就是还不知道他们会得到什么效果,以及他们可能能做出什么设备。这就是为何,成功创造出这个最新的材料结合是如此地重要。

在最新的设置中,研究团队发现,当将材料们冷却至只略高于绝对零度(-273.15°C)时,在半导体层与超导体之间存在强烈的耦合(也就是称作邻近效应的反应)。

巴塞尔大学的物理学家莫赫迪·拉马札尼博士说:“在我们于凡得瓦异质结构中期待见到的崭新且令人兴奋的现象中,强烈耦合是关键要素,但我们之前从来没有办法展示出来。”

制作过程与未来研究

正如你所预期的,若考虑到过去从来没有人做到这件事的话,要让这个半导体-超导体连结在一起并不容易。该半导体被放在一个三明治结构中,在其上头与下方有绝缘层,而在上层绝缘层中所蚀刻出的洞提供了电的接触管道。

超导体的材料填补了洞所留下的间隙,而整个制程结束于一个充满氮气的手套箱内,以保护完成的系统免予损伤。在光学显微镜之下,远端控制的显微操作器被用来完成整个制程。

随着制造过程已经达成,测试与实验就能够开始了,而且科学家已经开始进行了,在冷却到接近绝对零度的冰箱当中。而且,研究人员认为在未来,他们可以使用同样的技术于其他的半导体上,进一步地扩展其潜能。

保加拿说:“我们的测量结果显示,这些混合的单层半导体元件的确是有可能的,甚至有可能跟其他更独特的接触材料结合,而这将为进一步深入了解开展未来的道路。”

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