量子材料领域的新发现或使电子设备运行速度提升1000倍

以下内容来自phy.org，论文原文DOI: 10.1038/s41567-025-02938-1

美国东北大学的研究人员发现了一种能按需改变物质电子状态的方法，这一突破性进展或使电子设备的运行速度和效率提升1000倍。通过在绝缘态与导电态之间进行切换，这一发现为用体积更小、速度更快的量子材料取代电子设备中的硅基元件创造了可能。

“目前处理器的运行速度以千兆赫兹为单位，”论文的第一作者、物理学助理教授阿尔贝托・德拉托雷表示，“而这一发现所能实现的状态变化速度，可使处理器迈入太赫兹时代。”

图：研究人员通过可控的加热与冷却手段，使一种量子材料实现了导电态与绝缘态之间的切换

研究人员借助一种名为“热淬火”的技术，通过可控的加热与冷却过程，让量子材料在金属导电态和绝缘态之间切换。并且，运用相同的技术，这两种状态能瞬间实现反转。

这项于6月27日以“Dynamic phase transition in 1T-TaS2 via a thermal quench”为题发表在《Nature Physics》期刊上的研究成果，对材料科学以及电子设备的未来发展而言是一项重大突破——它实现了对材料导电与绝缘状态的即时控制。

这种效应类似于晶体管对电子信号的切换作用。东北大学物理学教授格雷戈里・菲特与德拉托雷合作对研究结果进行了解释，他表示，就像晶体管推动计算机实现小型化（从占据整个房间的巨型机器演变为可放进口袋的手机）一样，对量子材料的控制有望为电子设备带来革命性变革。

“每个使用过计算机的人都曾遇到过希望内容加载更快的时刻，”菲特说，“没有什么比光的速度更快，而我们正利用光来控制材料的特性，其速度本质上已达到物理学所允许的极限。”

研究人员在接近室温的条件下，对一种名为1T-TaS₂的量子材料进行光照，使其呈现出一种“隐藏金属态”。此前，这种状态仅能在极低温环境下稳定存在。如今，研究人员已能在更实用的温度条件下创造出这种导电金属态，德拉托雷介绍道。而且，该材料能将这种设定状态维持数月之久，这是前所未有的成就。

“其中一个重大挑战是如何随心所欲地控制材料特性，”菲特说，“我们追求的是对材料特性的最高程度控制。我们希望它能快速响应，并且结果具有高度确定性，因为只有这样的特性才能在器件中得到应用。”

迄今为止，电子设备既需要导电材料，也需要绝缘材料，还需要在两者之间构建精心设计的界面。而这一发现使得仅用一种材料就能实现导电与绝缘的切换成为可能，且这种切换可通过光来控制。

“我们将所有功能整合到一种材料中，从而攻克了一项工程难题，”菲特表示，“在更广泛的温度范围内，我们还用光取代了原本的界面。”

这项研究是在以往工作的基础上开展的。此前的研究采用超短激光脉冲来暂时改变材料的导电方式，但这种变化仅能维持极短的时间，且通常需要在极低温度下进行。

菲特指出，在较高温度下实现稳定的导电性切换，对于量子力学以及补充乃至替代硅基技术的长期探索而言都是一项重大进步。他表示，半导体中的逻辑元件密度已非常高，工程师们不得不采用三维堆叠的方式。但这种方法存在局限性，这使得微型量子材料在电子设备设计中变得愈发重要。

“当前，要在信息存储或运行速度方面实现显著提升，我们需要一种新的范式，”菲特说，“量子计算是解决这一问题的一条途径，另一条途径则是在材料领域进行创新——我们这项研究的核心正在于此。”

参考链接

[1]https://www.nature.com/articles/s41567-025-02938-1

[2]https://phys.org/news/2025-06-discovery-quantum-materials-electronics-faster.html