本文与 MIT News联合发布。
摩尔定律在五十年间推动电子设备向更小、更便宜、更快的方向发展。但麻省理工学院材料加工中心主任Carl V. Thompson在该校年度材料日研讨会上表示，要实现下一次技术飞跃，需要量子材料等新范式。
包括石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼以及金刚石中的氮空位中心在内的新型量子材料家族，是近期科学研究的前沿。人们正在探索它们不寻常的电子、光学和磁学特性，尤其关注其在传感、信息处理和存储方面的潜在用途。
虽然此类材料“未必会成为替代技术的基础，（它们）必将成为传统集成电路技术的互补技术基础”，Thompson表示。除担任MPC主任外，Thompson还是麻省理工学院Stavros Salapatas材料科学与工程教授。
争夺金刚石控制权
金刚石自旋电子学在纳米磁成像、陀螺仪和量子信息处理等广泛应用中前景广阔，Element Six首席技术官Daniel Twitchen于2015年10月14日在研讨会上表示。Twitchen报告称，合成金刚石生长技术的进展正在推动利用金刚石优良特性的应用落地，这些特性包括其强度、宽光学透明度、化学和生物稳定性，以及在所有材料中最高的体热导率。
纯金刚石形成的晶格仅由碳原子组成，而金刚石晶格中可以产生一种称为氮空位缺陷的杂质。氮空位中心（NV中心）金刚石之所以得名，是因为它用一个氮原子取代晶格中的一个碳原子，并与相邻的空位（即晶格中缺失碳原子的位置）配对而成。氮空位对会使金刚石呈粉红色。他指出，这些氮空位色心在室温下可保持其量子/自旋电子特性长达数秒。“如果我在这里施加微波扫描，同时在激发时观察这些态发出的光，当我到达零态时，它是亮的，”Twitchen解释道。“当我到达一态时，它较暗，因此我得到了光探测磁共振信号，这就是我的读出。”
嵌入式电子学
麻省理工学院电气工程与计算机科学副教授Tomás Palacios认为，将二维（2D）材料嵌入我们使用或佩戴的每一件物品中，电子器件的数量有望增加100倍。Palacios设想的联网物品包括：可无线为手机等设备充电的电子墙纸和桌面；可替代传统照明、会发光的天花板；可兼作透明显示器的窗户；大面积分布式扬声器；以及无处不在的传感器。
“我坚信，二维材料是微系统未来发展的关键要素，它将使电子器件进入每一件物品，并将电子器件的性能密度提升五到六个数量级，而不仅仅是10%，”Palacios说。他的实验室采用化学气相沉积法在铜箔上生长单层石墨烯，并开发了一套机器人系统，可将石墨烯转移到包括纸张和衣物在内的任意基底上。他表示，二维材料的性能现在已足以满足许多应用需求。他指出，石墨烯的强度是结构钢的200倍，导电性优于任何金属。石墨烯产品包括高性能网球拍和用于柔性电子系统的导电油墨。他最新的工作是折叠二维材料，以展示下一代微纳系统。
物理学的革命
麻省理工学院物理学三井职业发展副教授Pablo Jarillo-Herrero表示，层状原子级薄材料正在引发凝聚态物理学的一场革命。他介绍了自己的研究：石墨烯与六方氮化硼的叠层会形成莫尔图案，并可产生电子带隙。这种莫尔图案由这些超薄材料中重叠的蜂窝状结构形成，随石墨烯/六方氮化硼层之间的扭转角而变化；结果表明，其带隙也随晶体结构的扭转角而变化。“我们的假设是，在电荷中性点确实打开了一个带隙，它源于石墨烯与六方氮化硼之间的耦合，”Jarillo-Herrero解释道。
Jarillo-Herrero在麻省理工学院的实验室还利用一种相关的超薄半导体材料——厚度小于1纳米的单层二硒化钨，制造出了世界上最薄的二极管。这种单层二硒化钨二极管还可以用作光电探测器和发光二极管（LED）。
探索拓扑绝缘体
麻省理工学院Lawrence C.（1944）与Sarah W. Biedenharn物理学职业发展副教授Nuh Gedik阐述了他在硒化铋等材料上的开创性工作。这类材料被称为拓扑绝缘体，因为其体内电绝缘，而边缘则可自由导电。“在表面，如果施加电场，会产生磁响应，反之亦然，”Gedik说。“你可以设想利用这种效应来切换存储比特等等。”
Gedik的研究将超快激光光学与角分辨光电子能谱（ARPES）相结合，以测量拓扑绝缘体的表面电子。Gedik展示了其实验室的一段影片，这些实验首次证明了固体中的Floquet-Bloch能带。“你可以看到，随着光射入，能量中会形成电子色散的复制品；光射出时，它们也随之消失。当光存在时，你会看到这些额外相干能带的形成，”Gedik说。“……你发出的光子与电子杂化，形成了这些杂化能带，即光子-电子能带，它们在实际应用中的行为确实与真实能带一样。”随后的实验表明，圆偏振光会破坏时间反演对称性，并在材料中打开一个带隙。
测量纳米尺度磁性
哈佛大学物理学教授Amir Yacoby博士介绍了他的工作：开发一种基于氮空位中心金刚石的新型传感器，用于测量磁场，并捕捉斯格明子的结构与电荷，斯格明子在计算领域具有潜在价值。他将此比作为纳米尺度重新设计磁共振成像（MRI）。由于许多新材料（如一片石墨烯）尺寸极小，没有足够大的样品来应用许多传统测量工具。
“我们希望通过开发这类表征材料的新方法，不仅能帮助我们深入了解材料特性，还能提升我们设计具有预定特性材料的能力，”Yacoby说。他运用量子信息科学的理念制造了用于探测磁场的传感器。“如果这些量子比特对其环境如此敏感，为什么不直接把它们用作环境的传感器呢？”Yacoby说。“探测与初始化通过光学方式完成，控制则通过微波实现，”他解释道。“我们有一种非常简单的方法，用来比较信号与不确定性之间的关系，这就给出了我们的灵敏度。”Yacoby说，他的团队使用扫描针尖，在空间中对一个静态电子自旋进行了成像。这一新工具可用于研究材料中的缺陷、材料之间的界面以及固体内部的核自旋。
新型斯格明子计算
George Bourianoff博士是英特尔微处理器研究实验室的特别顾问，他表示，随着越来越多的人和设备接入物联网，运行互联网的计算机将需要超越精确的布尔逻辑函数，转向认知功能。“在超越CMOS的计算中，我们需要的是模式和图像流，而不是比特与比特流。我们希望得到近似和概率化的结果；我们希望使用非线性算子；然后，我们希望拥有可学习并适配当前任务的复杂连接拓扑，”Bourianoff解释道。
这一新范式的一种可能是储层计算，而斯格明子阵列是实现储层计算的一种可能方式。“储层计算的基础在于，动力学系统将多个图像流简化为单一快照，从而更易于识别，”Bourianoff说。“储层计算有严格的数学基础。”实现储层计算的一种可能途径是磁性斯格明子阵列。他将磁性斯格明子定义为自旋纹理中具有旋涡构型的手性自旋结构。“它们可以编码少至一个信息量子，也可以编码数千个信息量子。它们可以被创建和读取，理想情况下可提供一个用于实现储层计算的物理系统，”他说。
金刚石作为量子使能器
氮空位中心金刚石柱可提供无限的存储容量，集成量子材料中心（Center for Integrated Quantum Materials，CIQM）共同首席研究员Gary L. Harris在研讨会上表示。Harris是华盛顿特区霍华德大学研究生院院长，他开发了一种生长NV中心金刚石柱的新技术，用于量子比特（qubit，量子位）应用。这些柱子可在晶圆周围排列成阵列。“我们的想法是制造所有这些小型存储单元，因此我们解决了这个无法解决的问题，因为我们拥有无限的存储容量和能力，”Harris说。
该工艺使用自组装嵌段共聚物掩模，生长带有氮空位中心的金刚石柱。氮空位色心形成的单自旋系统易于读取。“你输入一种频率的光，输出的是另一种频率的光。你输入绿光，输出的是红光。红光的强度可以告诉你系统的自旋状态，”Harris说。“如果要使这种金刚石技术可行，就必须拥有大规模衬底。那是硅技术发展中的秘密武器。衬底尺寸越来越大，一直在增长，”他说。
在“量子材料”研讨会上，MPC与总部位于哈佛大学的 Center for Integrated Quantum Materials开展合作。该多站点CIQM是一个为期五年、由美国国家科学基金会资助的项目，由哈佛大学应用物理与物理学教授Robert M. Westervelt领导。麻省理工学院对CIQM的参与由共同首席研究员Ray Ashoori（物理学教授）牵头，并通过材料加工中心进行管理。约223人参加了材料日研讨会。
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作者：Denis Paiste，就职于麻省理工学院材料加工中心。
图片：一名员工在电脑键盘上打字。路透社/Stoyan Nenov。
