中国科学家发现一种材料缺陷反而成为提高量子器件效率的秘密武器

抖音推荐 2025年08月25日 21:44 1 admin

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250824031544.htm

传统电子学的一个基本教条正在被彻底颠覆。中国科学院宁波材料技术与工程研究所的最新研究表明，长期被视为性能杀手的材料缺陷，在量子电子器件中竟能发挥意想不到的增强作用。这一发表于《自然材料》的突破性发现，将材料缺陷从阻碍因素转变为提升器件效率的关键工具，为开发下一代超低功耗电子设备开辟了全新道路。

该研究团队在钌酸锶材料中发现了一个令人震惊的现象：通过精心设计的缺陷工程，不仅没有降低器件性能，反而将开关能量效率提升了整整三倍。这一成果重新定义了自旋电子学器件的设计理念，标志着从"消除缺陷"到"利用缺陷"的根本性策略转变。

从实验室到产业的意外发现

自旋电子学中的材料缺陷非但不会阻碍进步，反而可以用来提高效率。这一突破预示着新一代强大节能电子产品的到来。图片来源：Shutterstock

当王志明教授的研究团队开始探索钌酸锶中的轨道霍尔效应时，他们最初的目标是理解这种过渡金属氧化物的基本物理性质。轨道霍尔效应是一个相对较新的量子现象，描述的是电子轨道角动量在材料中的横向输运，这种效应被认为在未来的超低功耗器件中具有重要应用价值。

然而，实验结果却出乎所有人的意料。使用定制设计的霍尔效应测量装置，研究人员发现材料中的缺陷浓度与轨道霍尔电导率之间存在着一种前所未见的正相关关系。更令人惊讶的是，轨道霍尔角——衡量轨道电流效率的关键指标——也随着缺陷增加而同步提升。

这一发现完全违背了自旋电子学领域的传统认知。在基于电子自旋的器件中，材料缺陷通常会增加散射，降低自旋霍尔电导率，从而拖累整体性能。但在轨道系统中，同样的缺陷却表现出了截然不同的行为模式。

研究团队的共同第一作者郑宣博士回忆道："当我们第一次看到这些数据时，几乎不敢相信自己的眼睛。按照传统理论，这样的结果是不应该出现的。"为了确认这一反常现象的真实性，团队进行了多轮独立实验验证，最终确认了这一颠覆性发现的可靠性。

量子力学的精妙机制

为了解释这一看似矛盾的现象，研究团队深入分析了轨道角动量在材料中的动力学过程。他们发现，这种反常行为可以用类似于Dyakonov-Perel机制的轨道弛豫理论来理解。

在量子力学的框架下，电子的轨道角动量会通过各种散射过程发生弛豫。通常情况下，散射会缩短轨道角动量的寿命，就像在拥挤的道路上行驶会降低平均速度一样。然而，在钌酸锶等特定材料中，情况发生了微妙的变化。

缺陷引起的散射过程虽然增加了电子的碰撞频率，但这些散射事件之间的量子干涉效应却能够抑制轨道角动量的快速衰减。这就像是在混乱中找到了某种秩序——多重散射路径的量子叠加反而延长了轨道态的相干时间，从而增强了轨道电流的强度。

郑宣博士解释说："这个机制的关键在于量子干涉的微妙平衡。散射过程不是简单地破坏轨道电流，而是通过复杂的量子纠缠重新组织了电子的运动状态。"

这一理论突破不仅解释了实验观测到的反常现象，也为设计新型轨道电子器件提供了理论指导。与传统的自旋系统不同，轨道系统中的缺陷工程可以实现性能的多重提升，为器件优化提供了前所未有的设计自由度。

技术应用的巨大潜力

这项基础研究的突破正在重塑整个自旋电子学产业的技术路线图。三倍的能效提升对于当前面临功耗瓶颈的电子产业而言具有革命性意义。随着人工智能、物联网和边缘计算的快速发展，对超低功耗器件的需求正在急剧增长。

在数据中心领域，能耗问题已成为制约发展的关键因素。根据国际能源署的最新统计，全球数据中心的电力消耗正在以每年约10%的速度增长。基于轨道霍尔效应的新型存储器和处理器有望显著降低这一能耗水平，为构建绿色计算基础设施提供技术支撑。

在消费电子领域，这一技术突破可能催生新一代的智能设备。特别是在电池供电的移动设备中，三倍的能效提升意味着续航时间的大幅延长，或者在相同电池容量下实现更强大的计算能力。这对于推动人工智能在移动端的普及具有重要意义。

从制造业的角度来看，这一发现也简化了器件的生产工艺。传统上，制备高性能的自旋电子器件需要严格控制材料质量，消除各种缺陷，这不仅增加了成本，也限制了产业化的规模。新的设计理念允许在相对宽松的工艺条件下获得优异性能，有助于降低成本并提高生产效率。

王志明教授表示："这项研究从根本上改写了器件设计的游戏规则。我们不再需要与材料缺陷做斗争，而是可以将它们作为提升性能的工具。这种思维方式的转变可能带来整个产业的技术革命。"

开启科学研究新方向

这一发现的影响远远超出了单一技术领域的范畴。它展示了基础物理研究如何能够推动技术创新，同时也为材料科学、凝聚态物理学和量子信息科学等多个领域开辟了新的研究方向。

在量子计算领域，轨道角动量作为量子信息的载体具有独特优势。相比于电子自旋，轨道自由度具有更长的相干时间和更强的抗环境干扰能力。利用缺陷工程优化的轨道电流可以为量子比特的操控和读取提供更高效的手段，推动容错量子计算机的实用化进程。

该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委员会的大力支持，体现了国家对基础研究和原始创新的高度重视。研究团队目前正在探索将这一原理推广到其他材料体系，寻找更多具有类似性质的候选材料。

随着这一发现的深入发展，我们有理由相信，材料缺陷这个曾经的技术障碍正在成为推动下一代电子技术发展的强大引擎。从"缺陷是敌人"到"缺陷是朋友"的认识转变，可能预示着电子学即将迎来一个全新的发展时代。

玩家必备教程“微信小程序麻将的胡牌规则”（究竟是不是有挂)

发表评论