美国密歇根大学开发出一种半导体材料，可在室温条件下实现从导体到绝缘体的“量子翻转”，有助于开发新一代量子设备和超高效电子设备。

此前，科学家在只有一个原子厚的硫化钽二维结构中观察到，支持这种量子翻转的奇异电子结构以前只能在-37.8℃的超低温下稳定，现在该新材料可在高达77℃时保持稳定。

图 1该电子显微镜图像显示了热处理过程之前和之后的单个二维硫化钽层内的原子。在热处理之前，所有层都与八面体几何形状粘合。经过热处理后，大多数层都与棱柱形几何形状粘合。其余的八面体层表现出有序的带电密度波，并且已经从导体切换到绝缘体。白色比例尺表示两纳米。

研究人员Hovden 解释说，奇异的量子特性，比如从导体切换到绝缘体的能力，可能是下一代计算的关键，它提供了更多存储信息的方法和更快的状态切换。这可能会导致更强大、更节能的设备。

目前的电子产品使用微型电子开关来存储数据；“on”为1，“off”为0，断电后数据消失。未来的设备可以使用其他材料，例如“导体”或“绝缘体”来存储数字数据，只需要快速的能量就可以在状态之间切换，而不是稳定的电流。

然而，在过去，这种奇异的行为只在超冷温度下的材料中观察到。研究人员的最终目标是开发能够根据需要在室温下快速从一种状态“翻转”到另一种状态的材料。Hovden说，这一研究可能是朝这个方向迈出的重要一步。

“先前在超低温下的研究表明，可以按需一次又一次地进行这种翻转。”Hovden说，“这不是这个项目的重点，但事实上，我们甚至能够在室温下保持一次翻转稳定，这开启了许多令人兴奋的可能性。”

从导体到绝缘体的翻转由一种称为电荷密度波的现象支持，这是一种在某些条件下自发发生的有序的、晶体状正负电荷模式。

"以前在硫化钽的散装样品中已经观察到电荷密度波，但材料必须处在超冷的温度下，"Hovden说。"通过将几个二维层交错在一起，我们能够使其更加稳定。”

该团队首先制造了几层夹在一起的单原子厚的硫化钽层的样品。每一层都是一个半导体，处于所谓的八面体状态，它指的是钽和硫原子的特定排列。虽然存在一些电荷密度波，但它们太不稳定和无序，不会产生像导体 ——绝缘体翻转这样的奇异行为。

但是，Hovden实验室的研究生研究员，该研究的第一作者Suk Hyun Sung通过在无氧环境中加热样品，同时在电子显微镜下观察该过程来改变样品的性质。随着样品的加热，层开始一个接一个地切换到棱柱形状态——相同原子的不同排列。

当大多数（但不是全部）层切换到棱柱形状态时，Sung将样品冷却回室温。他发现，保持在八面体状态的层表现出有序和稳定的电荷密度波，并且在高达76摄氏度的温度下保持这种状态。此外，这些层已经从半导体转向绝缘体。

"大多数2D材料都受到它们所坐的任何东西的所有缺陷的影响，无论空气中有什么，这使得它们非常不稳定，"Sung说。"但我们发现，当八面体层位于几个棱柱层之间时，它们会更加稳定。

该团队正在进一步研究这种现象，调整该过程的更多变量并测试机制，以控制由电荷密度波刺激的奇异行为。就目前而言，这一新发现让他们对量子态和二维材料的运作有了重要的发现。