新一代半导体即将问世！来自华丽的量子物理学

LED灯和显示器，以及高质量的太阳能电池板诞生于半导体的一场革命，它能有效地将能量转换为光，反之亦然。现在，下一代半导体材料即将问世。在一项新的研究中，研究人员发现，在他们改造照明技术和光电技术的潜力背后，隐藏着古怪的物理现象。将这些新兴所谓“混合半导体”的量子特性与其已有的进行比较，就像是将莫斯科芭蕾舞团比作千斤短跳。由乔治亚理工学院的研究人员领导的一个物理化学家团队称，由量子粒子组成的旋转团在这些新兴材料中波动，可以轻松地创造出非常理想的光电特性，这些相同的性质在现有半导体中是不现实的。

博科园-科学科普：在这些新材料中移动的粒子也参与了材料本身的量子运动，类似于舞蹈者吸引地板与他们一起跳舞。研究人员能够测量舞蹈引起的材料的模式，并将其与新兴材料的量子特性和引入材料的能量联系起来。这些见解可以帮助工程师有效地研究新型半导体。这种新兴材料能够容纳类似于舞者各种古怪的量子粒子运动，这与它在分子水平上的不寻常的灵活性直接相关，就像加入舞蹈的舞池一样。相比之下，现有半导体具有刚性的、直线排列的分子结构，这使得跳舞变成了量子粒子。研究人员检测的混合半导体被称为卤化物有机-无机钙钛矿(HOIP)，这将在底部与“混合”半导体名称一起详细解释。

“混合”半导体是将半导体中常见晶体晶格与一层具有创新d性的材料结合在一起。提升机不仅具有独特的光亮度和节能性能，而且易于生产和应用。乔治亚理工大学化学与生物化学学院的教授卡洛斯·席尔瓦说：一个令人信服的优势是，提升机是在低温下制造，并在溶液中进行处理。生产它们所需的能源要少得多，而且可以大批量生产。席尔瓦与乔治亚理工学院和意大利理工学院的Ajay Ram Srimath Kandada共同领导了这项研究。大多数半导体的小批量生产都需要很高温度，而且它们的表面很硬，但可以在起重机上涂上油漆来生产led、激光器，甚至是窗户玻璃，这些玻璃可以发出从海蓝宝石到紫红色的任何颜色的光。

吊装照明可能只需要很少的能源，而太阳能电池板制造商可以提高光电效率，降低生产成本。由佐治亚理工学院领导的研究小组包括来自比利时蒙斯大学和意大利理工学院研究人员。研究结果于2019年1月14日发表在《自然材料》上。这项研究由美国国家科学基金会、欧盟地平线2020、加拿大自然科学和工程研究理事会、丰德魁北克的pour la Recherche和比利时联邦科学政策办公室资助。光电器件中的半导体可以把光转换成电，也可以把电转换成光。研究人员专注于与后者相关的过程：光发射。让一种材料发光的诀窍，从广义上说，就是把能量应用到材料中的电子上，这样它们就能从围绕原子的轨道上获得量子跃迁，然后当它们跳回到空出的轨道上时，就能以光的形式释放出这种能量。

已建立的半导体可以在严格限制电子运动范围的材料区域捕获电子，然后将能量应用到这些区域，使电子一致地进行量子跃迁，在它们一致地跳下来时发出有用的光。这些是量子阱，材料的二维部分限制了这些量子特性，从而产生了这些特殊的光发射特性。有一种可能更具吸引力的发光方式，这也是新型混合半导体的核心优势。一个电子带负电荷，它被能量激发后空出的轨道叫做电子空穴。电子和空穴可以相互旋转形成一种假想粒子，或准粒子，称为激子。激子的正负吸引被称为结合能，这是一种非常高能的现象，这使得激子非常适合发光。当电子和空穴重新结合时，空穴释放出结合能来发光。但通常，激子很难在半导体中保持。

传统半导体中的激子特性只有在极冷温度下才稳定，但在提升过程中，激子性质在室温下非常稳定。激子从原子中释放出来并在物质中移动。此外，HOIP中的激子可以围绕其他激子旋转，形成准粒子，即双激子。还有更多。激子也会围绕材料晶格中的原子旋转。就像电子和电子空穴产生激子一样，激子绕原子核旋转会产生另一种准粒子，叫做极化子。所有这些作用都会导致激子向极化子转变。我们甚至可以说一些激子呈现出一种“极化子”的细微差别。使所有这些动力学更加复杂的是，提升装置充满了正离子和负离子。这些量子舞蹈的华丽对材料本身有着至关重要的影响。

不同寻常的是，材料中的原子与电子、激子、双激子和极化子共舞，在材料中产生了重复的纳米级凹痕，这些凹痕可以作为波型观察到，随着能量的增加，这些凹痕会发生位移和通量。在基态下，这些波型会以某种方式呈现，但随着能量的增加，激子的表现会有所不同。这改变了波浪模式，这就是我们所测量的。这项研究的关键观察结果是，波型随激子类型(激子、双激子、极化子/非极化子)的不同而变化。这些凹痕也会抓住激子，减缓它们在材料中的移动速度，所有这些华丽的动力学可能会影响光发射的质量。

该材料为卤化物有机-无机钙钛矿，是由两个无机晶格层构成的夹层，中间夹有一些有机材料，形成有机-无机杂化材料，量子作用发生在晶格中。中间的有机层就像一层橡皮筋，使水晶格子变成一个摇摆但稳定的舞池。此外，提升机与许多非共价键连接在一起，使材料柔软。晶体的单个单位以一种叫做钙钛矿形式存在，它是一种非常均匀的钻石形状，中间是一种金属，而像氯或碘这样的卤素在点上，因此被称为“卤化物”，在这项研究中，研究人员使用了含有公式(PEA)2PbI4的二维模型。

博科园-科学科普｜研究/来自：乔治亚理工学院

Ben Brumfield, Georgia Institute of Technology

参考期刊文献:《Nature Materials》

论文DOI: 10.1038/s41563-018-0262-7

博科园-传递宇宙科学之美

据外媒报道，未来研究人员可能会在量子计算机中使用电子自旋处理信息的信息技术。长期以来，能够在室温下使用基于自旋的量子信息技术一直是科学家们的目标。目前， 来自瑞典、芬兰和日本的研究人员已经构建了一种半导体组件，在这种组件中，电子自旋和光之间可以有效地交换信息--在室温及更高温度下。

众所周知，电子具有负电荷，而且它们还有另一个特性，即自旋。后者可能会被证明在信息技术的发展中发挥着至关重要的作用。简单地说，我们可以想象电子绕着自己的“轴线”旋转，就像地球绕着自转轴旋转一样。自旋电子学--未来信息技术的一个有前途的候选者--利用电子的这种量子特性来存储、处理和传输信息。这带来了重要的好处，比如比传统的电子产品速度更快，能耗更低。

近几十年来自旋电子学的发展是以金属的使用为基础的，这些发展对于储存大量数据的可能性来说非常重要。然而，使用基于半导体的自旋电子学会有几个优势，就像半导体构成当今电子学和光子学的骨干一样。

"基于半导体的自旋电子学的一个重要优势是可以将自旋态所代表的信息转换并转移到光上，反之亦然。这种技术被称为光自旋电子学。领导该项目的瑞典林雪平大学教授陈伟民说："它将使基于自旋的信息处理和存储与通过光的信息传输结合起来成为可能。"他说："光自旋电子学是一种基于自旋的电子学技术。

由于目前使用的电子器件都是在室温及以上的环境下工作，自旋电子学发展中的一个严重问题是，当温度升高时，电子的自旋方向往往会发生切换和随机化。这意味着电子自旋状态所编码的信息会丢失或变得模糊不清。因此，在室温和较高的温度下，我们能使基本上所有的电子都定向到相同的自旋状态，并保持这种状态，换句话说，它们是自旋极化的，这是发展基于半导体的自旋电子学的必要条件。以往的研究在室温下，电子自旋极化最高只有60%左右，无法实现大规模的实际应用。

目前林雪平大学、坦佩雷大学和北海道大学的研究人员已经实现了室温下电子自旋极化大于90%。即使在110 的高温下，自旋极化仍保持在较高的水平。这一技术进步在《自然光子学》上有所描述，它是基于研究人员用不同的半导体材料层构建的一种光自旋纳米结构。它包含称为量子点的纳米级区域。每个量子点约是人类头发的厚度的万分之一。

当自旋偏振的电子撞击在量子点上时，它就会发射光--更准确地说，它发射的是单光子，其状态（角动量）由电子自旋决定。因此，量子点被认为具有巨大的潜力，可以作为电子自旋和光之间传递信息的接口，这将是自旋电子学、光子学和量子计算所必需的。在最新发表的研究中，科学家们表明，可以利用相邻的自旋滤波器远程控制量子点的电子自旋，而且是在室温下。

量子点由砷化铟制成，一层砷化镓氮起到自旋过滤器的作用。它们之间夹着一层砷化镓。类似的结构已经被用于基于砷化镓的光电技术中，研究人员认为，这可以使自旋电子学更容易与现有的电子和光子元件集成。

“我们非常高兴的是，我们长期努力提高制造高度控制的含N半导体所需的专业知识，正在界定自旋电子学的新领域。到目前为止，我们在将这种材料用于光电子器件时取得了良好的成功，最近一次是在高效太阳能电池和激光二极管方面。现在，我们期待着继续这项工作，将光子学和自旋电子学结合起来，利用一个共同的平台来实现基于光和基于自旋的量子技术，”芬兰坦佩雷大学研究团队负责人Mircea Guina教授说。

什么是自旋电子学？

自旋电子学是一种利用电子的电荷和自旋来处理和传递信息的技术。

电子的自旋可以设想为当电子绕其轴线顺时针或逆时针旋转时产生，就像地球绕其轴线旋转一样。这两个旋转方向被称为 "向上 "和 "向下"。在当今的电子技术中，电子电荷被用来代表0和1，并以此来承载信息。相应的，在自旋电子学中也可以用电子的自旋状态来表示信息。

在量子物理学的世界里，一个电子可以同时拥有两个方向的自旋（从而处于1和0的混合状态）。当然，这在传统的 "经典 "世界中是完全不可想象的，也是量子计算的关键。因此，自旋电子学对于量子计算机的发展是很有前途的。

光自旋电子学就是将电子自旋状态所代表的信息传递给光，反之亦然。光，光子就可以通过光纤，非常迅速地、跨越长距离地将信息传递下去。电子的自旋状态决定了光的特性，或者说得更准确一些，它决定了光的电磁场会围绕着行进方向顺时针还是逆时针旋转，大致就像开瓶器可以有顺时针或逆时针的转动方向一样。

量子力学的能带理论应该是人都学过，

另外半导体的能带唯象解释都知道，

再把二者结合起来想一下。量子礼学的能带理论是周期势场作用的必然结果。

白藤纯嗣 著

黄振岗 王茂增 译

题名 半导体物理基础

高等教育出版社 1982

第四章

也不知道你看不看的懂。

关于能带理论可以见曾谨言量子力学教程的第3章最后。

---