作为电子工业的首选材料，硅几乎没有严重的竞争对手。然而，晶体管——控制电路中电子流动的可切换阀——不能简单地不断缩小，以满足功能强大、结构紧凑的设备的需要;物理限制，如能源消耗和散热是太重要。
现在，哈佛大学的研究人员利用一种叫做相关氧化物的量子材料，实现了电阻的8个数量级的可逆变化，研究人员称这个结果是“巨大的”。简而言之，他们已经设计出这种材料，其性能可以与最好的硅开关媲美。
这一发现出现在一个似乎不太可能的地方:由哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)材料科学副教授Shriram Ramanathan领导的实验室，通常致力于研究以甲烷或氢为燃料的燃料电池。研究人员对薄膜和离子输运的熟悉使他们能够利用化学而不是温度来达到这一戏剧性的结果。
由于相关的氧化物在室温或高于室温几百度时也能正常工作，因此很容易将它们集成到现有的电子设备和制造方法中。这项发表在《自然通讯》杂志上的发现，为未来的三维集成电路以及自适应、可调谐的光子器件奠定了良好的基础。
具有挑战性的硅
尽管电子产品制造商继续将更快的速度和更多功能封装到更小的封装中，但硅基组件的性能将很快碰壁。
“传统的硅晶体管有基本的规模限制，”Ramanathan说。“如果你把它们缩小到一定的最小功能尺寸以上，它们的表现就会不太好。”
然而，硅晶体管是很难被打败的，实际使用时，开关比至少要达到104。“这是一个相当高的门槛，”Ramanathan解释说，并补充说，到目前为止，使用相关氧化物的实验只产生了大约10倍的变化，最多100倍，接近室温。但是Ramanathan和他的团队已经制造了一种新的晶体管，主要由一种叫做钐镍酸盐的氧化物制成，在实际操作中，它的开关比达到了105以上——也就是说，与最先进的硅晶体管相当。
在未来的工作中，研究人员将研究该设备的开关动力学和功耗。同时，这一进展是概念的重要证明。
“我们的轨道晶体管真的可以推动这个领域的前沿，你知道吗?这是一种可以挑战硅的材料。
固态化学掺杂
材料科学家多年来一直在研究相关氧化物家族，但该领域仍处于起步阶段，大多数研究旨在确定材料的基本物理特性。
Ramanathan说:“我们刚刚发现了如何掺杂这些材料，这是使用任何半导体的基础步骤。”
掺杂是将不同原子引入材料晶体结构的过程，它会影响电子穿过晶体的容易程度，也就是说，它能在多大程度上抵抗或导电。掺杂通常通过增加可用电子的数量来影响这种变化，但这项研究不同。哈佛大学的研究小组操纵了带隙，即电子流动的能量屏障。
Ramanathan说:“通过选择特定的掺杂剂——在这种情况下，是氢还是锂——我们可以扩大或缩小这种材料的带隙，从而确定地将电子移进或移出它们的轨道。”这是一种与其他半导体截然不同的方法。传统方法通过改变能量水平来达到目标;新方法移动目标本身。
在这个轨道晶体管中，当施加电场时，无论温度如何，质子和电子都会进出钐镍酸盐，因此该设备可以在与传统电子设备相同的条件下运行。它是固态的，这意味着它不涉及液体、气体或移动的机械部件。而且，在没有电力的情况下，这种材料还能记住它的当前状态——这是提高能源效率的一个重要特征。
“这就是这项工作的美妙之处，”拉马纳坦说。“这是一种奇特的效果，但原则上它与传统电子设备高度兼容。”
量子材料
与硅不同的是，钐镍酸盐和其他相关氧化物是量子材料，这意味着量子与机械的相互作用对材料的性能有主要影响——而且不仅是在小尺度上。
“如果相邻轨道上有两个电子，而这些轨道还没有完全填满，在传统材料中，电子可以从一个轨道移动到另一个轨道。但在相关的氧化物中，电子相互排斥得太厉害，以至于它们无法移动。“轨道的占用率和电子在晶体中移动的能力是紧密联系在一起的。从根本上说，这决定了这种材料是绝缘体还是金属。”
Ramanathan和其他海洋研究人员也成功地控制了氧化钒中的金属-绝缘体转变。2012年，他们展示了一种可调谐的设备，可以吸收99.75%的红外光，在红外摄像机前呈现黑色。
同样，镍酸钐可能会引起开发光子和光电子器件的应用物理学家的注意。
“打开和关闭带隙意味着你现在可以操纵电磁辐射与材料相互作用的方式，”《自然通讯》(Nature Communications)杂志上这篇论文的第一作者施健(音)说。他在哈佛海洋学院的Ramanathan实验室完成了博士后研究，并于今年秋天加入伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)。“仅仅通过施加电场，你就可以动态地控制光与这种材料的相互作用。”
更进一步说，2013年由美国国家科学基金会(National Science Foundation)资助在哈佛大学(Harvard)成立的综合量子材料中心(Center for Integrated Quantum Materials)的研究人员，旨在开发一种全新的量子电子设备和系统，将改变信号处理和计算的方式。
Ramanathan将量子材料的研究现状与20世纪50年代进行了比较，当时晶体管刚刚发明出来，物理学家们还在研究它们。“对于这些新量子材料，我们基本上处于那个时代，”他说。“这是一个激动人心的时刻，去思考建立基本的、基本的属性。在未来10年左右的时间里，这将成为一个非常令人兴奋的设备平台。”
哈佛大学海洋研究所的研究生周友(音)是《自然通讯》杂志上这篇论文的联合第一作者。这项研究得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation)和美国国家科学院(National Academy of Sciences)的资助，以及美国国家科学基金会(NSF)向拉马纳坦颁发的教师早期职业发展(Career Development，简称Career)奖。