2025年1月14日，國(guó)立臺(tái)灣師范大學(xué)物理系與美國(guó)加州理工學(xué)院（Caltech）合作的最新研究，成功突破了量子內(nèi)存技術(shù)的關(guān)鍵瓶頸。研究顯示，在極低溫下，磁場(chǎng)誘發(fā)單層二硫化鉬（MoS?）晶體管中產(chǎn)生的極性有序現(xiàn)象。這一突破將為二維材料與電子科技發(fā)展帶來革命性改變。
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臺(tái)師大物理系教授陸亭樺、藍(lán)彥文、博士后研究員張文豪與臺(tái)師大玉山學(xué)者、Caltech教授葉乃裳、博士生郝篤行的攜手合作下，這項(xiàng)研究成果已于2024年12月底正式發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》（先進(jìn)材料），受到國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，也為全球量子科技及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供了嶄新發(fā)展方向。
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這項(xiàng)研究專注于單層半導(dǎo)體材料，特別是其具備強(qiáng)自旋軌道耦合與缺乏鏡像對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)，使得電子谷效應(yīng)成為重要特征。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在低溫20K環(huán)境下，當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，能夠破壞單層二硫化鉬（MoS?）的能谷簡(jiǎn)并，并引發(fā)晶格在實(shí)空間中的位移，進(jìn)而產(chǎn)生明顯的電極化現(xiàn)象。
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研究團(tuán)隊(duì)透過設(shè)計(jì)特殊的場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，并在超低溫和高磁場(chǎng)環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)了巨大的電滯現(xiàn)象，表現(xiàn)出類似鐵電材料的「蝴蝶型滯后」曲線。這項(xiàng)技術(shù)突破解決了傳統(tǒng)鐵電材料在縮小至奈米尺度后無法保持電極化的難題，成功實(shí)現(xiàn)僅0.65奈米厚的量子記憶材料，具有非揮發(fā)性記憶特性，能在極低溫下穩(wěn)定運(yùn)作。
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研究進(jìn)一步揭示，磁場(chǎng)誘發(fā)的非對(duì)稱晶格膨脹，破壞了單層二硫化鉬的鏡像對(duì)稱性，導(dǎo)致類鐵電極性有序的產(chǎn)生。這一現(xiàn)象不僅提供了全新方法來操控單層材料的物理特性，也開啟了其在極低溫非揮發(fā)性內(nèi)存、超靈敏磁場(chǎng)傳感器與奈米電子組件等技術(shù)應(yīng)用上的無限可能性。
該材料具有巨大的應(yīng)用潛力，特別是在量子內(nèi)存領(lǐng)域。由于其在低溫環(huán)境下仍能穩(wěn)定保持電極化，這項(xiàng)技術(shù)為量子內(nèi)存和內(nèi)存內(nèi)計(jì)算技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，提供了新的思路和可能性。隨著科技進(jìn)步，這種新型記憶材料可以進(jìn)一步縮小尺寸，提升儲(chǔ)存容量和指令周期，為量子計(jì)算領(lǐng)域帶來突破。
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此外，這項(xiàng)技術(shù)還具有在極端環(huán)境下運(yùn)行的潛力，特別是在超靈敏磁場(chǎng)傳感器和奈米電子組件等領(lǐng)域。該材料的獨(dú)特特性使其成為未來高精度感測(cè)技術(shù)的理想候選材料，能夠在極低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)的條件下穩(wěn)定運(yùn)作，為新一代傳感器提供無與倫比的性能。研究團(tuán)隊(duì)指出，此現(xiàn)象也可能適用于其他單層過渡金屬二硫化物，透過基板的應(yīng)力工程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)類似的極性效應(yīng)。該成果展現(xiàn)了創(chuàng)新材料科學(xué)與先進(jìn)奈米技術(shù)的結(jié)合，未來有望對(duì)電子與光電產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
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原文出處：D. Hao, W.-H. Chang, Y.-C. Chang, W.-T. Liu, S.-Z. Ho, C.-H. Lu, T. H. Yang, N. Kawakami, Y.-C. Chen, M.-H. Liu, C.-L. Lin, T.-H. Lu, Y.-W. Lan, N.-C. Yeh, Magnetic Field-Induced Polar Order in Monolayer Molybdenum Disulfide Transistors. Adv. Mater. 2024, 36, 2411393.?https://doi.org/10.1002/adma.202411393
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