瑞士的科學家首次將超導體與半導體進行連接

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第一次,科學家們成功地將兩種令人興奮的材料結合在一起,它們分別是:僅有一粒原子厚度的超薄半導體、以及能夠沒有電阻而導電的超導體。這些材料均有不尋常且驚奇的性質,而藉由透過一道精細的實驗室製程將它們擺在一起,研究團隊希望能夠展開各種於古典與量子物理中的新應用。

超導體與半導體

半導體是支配著我們生活的電子器具的關鍵,從電視到電話都是。與普通金屬相反,能讓半導體如此有用的原因是,它們的導電率(electrical conductivity)能夠藉由施加不同電壓來調整,這使得要開啟和關閉電流變得容易。

研究中,單層的半導體二硫化鉬(molybdenum disulfide,MoS2)被抽取出來,並且被加入至製程當中。

接著,我們有在某種溫度(通常是極度低溫)之下,能夠以完美的效率、且毫無熱損地傳遞電荷的超導體。在此設置中,名稱為鉬錸(molybdenum rhenium,MoRe)的超導體被加進了設備當中,而研究人員預期從他們結合起來的材料中觀察到完全嶄新的物理現象。

瑞士巴塞爾大學(University of Basel)的物理學家安德烈亞斯·保加拿(Andreas Baumgartner)說:「在超導體中,電子們如同舞伴般地成對排列,產生詭異但很棒的舞蹈,例如沒有阻礙的電流。另一方面,在半導體的二硫化鉬中,電子們演出了完全不一樣的舞蹈,一種奇特的獨舞,還併入了自身的磁矩。而現在,我們想要找出,若是將這兩種材料結合在一起,電子們會合意演出哪一種嶄新且奇異的舞蹈。」

合併兩種材料

對研究人員而言,如同此處所使用的超薄半導體是目前很熱門的研究對象。它們可以被堆疊在一起,形成完全嶄新的合成材料,即所謂的凡得瓦異質結構(van der Waals heterostructures)。

這些結構有很多具有潛力的創新用途,例如能夠使用電場來控制電子磁性。然而,很多這些潛在用途都還是理論性的,因為科學家們就是還不知道他們會得到什麼效果,以及他們可能能做出什麼設備。這就是為何,成功創造出這個最新的材料結合是如此地重要。

在最新的設置中,研究團隊發現,當將材料們冷卻至只略高於絕對零度(-273.15°C)時,在半導體層與超導體之間存在強烈的耦合(也就是稱作鄰近效應(proximity effect)的反應)。

巴塞爾大學的物理學家莫赫迪·拉馬札尼博士(Mehdi Ramezani)說:「在我們於凡得瓦異質結構中期待見到的嶄新且令人興奮的現象中,強烈耦合是關鍵要素,但我們之前從來沒有辦法展示出來。」

製作過程與未來研究

正如你所預期的,若考慮到過去從來沒有人做到這件事的話,要讓這個半導體-超導體連結在一起並不容易。該半導體被放在一個三明治結構中,在其上頭與下方有絕緣層,而在上層絕緣層中所蝕刻出的洞提供了電的接觸管道。

超導體的材料填補了洞所留下的間隙,而整個製程結束於一個充滿氮氣的手套箱內,以保護完成的系統免予損傷。在光學顯微鏡之下,遠端控制的顯微操作器(micromanipulator)被用來完成整個製程。

隨著製造過程已經達成,測試與實驗就能夠開始了,而且科學家已經開始進行了,在冷卻到接近絕對零度的冰箱當中。而且,研究人員認為在未來,他們可以使用同樣的技術於其他的半導體上,進一步地擴展其潛能。

保加拿說:「我們的測量結果顯示,這些混合的單層半導體元件的確是有可能的,甚至有可能跟其他更獨特的接觸材料結合,而這將為進一步深入瞭解開展未來的道路。」

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參考資料:

  1. Nield, D., (2021, July 8). For The First Time, Scientists Have Connected a Superconductor to a Semiconductor. ScienceAlert

  2. Ramezani, M. et al., (2021, June 23). Superconducting Contacts to a Monolayer Semiconductor. Nano Letters. doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00615

  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/scientists-just-overcame-a-major-hurdle-to-conducting-electricity-with-zero-resistance(圖:Mehdi Ramezani/Swiss Nanoscience Institute/University of Basel)