科学家们发现，在纳米尺度上扭转晶体可将其转变为微小且可逆的二极管，这预示着形状工程电子学新时代的到来。

日本理化学研究所新兴物质科学中心的研究人员与合作者共同研发出一种全新工艺，可直接从单晶材料构建三维纳米器件。该技术采用聚焦离子束设备，在极微观尺度上实现材料的精准雕刻。

研究团队采用此方法，以钴、锡、硫构成的拓扑磁性材料（化学式为Co3Sn2S2）塑造出微小的螺旋结构。测试表明，这些结构如同可切换的二极管，能让电流在一个方向上比另一方向更顺畅地通过。

为何三维纳米结构如此重要

构建具有复杂三维结构的电子设备，有望带来更小巧、更迅捷且能效更高的产品。然而，截至目前，仅有为数不多的制造技术能够打造出此类结构。其中许多方法对可使用的材料加以限制，且往往会降低最终产品的品质，从而限制了其实际应用效果。

纳米级雕刻工具

在发表于《自然·纳米技术》杂志的这项新研究中，科学家们采用了一种聚焦离子束技术，该技术能够以亚微米级的精度进行切割。这使他们得以突破诸多现有局限。从原理上讲，这项技术使得几乎任何晶体材料都能被塑造成三维器件。其加工过程与传统雕塑颇为相似，离子束会精准地去除材料，直至呈现出所需的形态。

螺旋形状造就可切换二极管

为展示该方法的效能，研究人员采用磁性晶体Co3Sn2S2制作了螺旋纳米器件。基于该材料的特性，他们预计这种扭曲结构将产生一种名为“非互易电传输”的特殊二极管效应，这种效应源于纳米尺度下的手性几何结构。

他们的实验证实了这一设想。电流在一个方向上的流动比在另一个方向上更为顺畅，且通过改变磁化方向或螺旋结构的旋向性，这种效应能够发生逆转。研究团队还观察到了相反的相互作用现象，即强电脉冲能够改变该结构的磁化状态。在现代电子学领域，二极管发挥着核心作用，涵盖交直流转换、信号处理以及发光二极管（LED）技术等诸多方面。

形状如何影响电子运动

科学家们通过研究不同尺寸的螺旋结构，并在不同温度下进行测试，发现二极管特性与器件弯曲壁面上电子的不均匀散射有关。研究结果表明，元件的物理形态可直接影响电流在其内部的传导方式。这一发现为通过几何结构本身的设计来开发低功耗电子元件提供了新思路，有望应用于未来的存储、逻辑运算及传感系统。

几何学：全新的设计准则

据该研究的第一作者马克斯·伯奇（Max Birch）所言：“通过将几何学视为与材料固有属性同等重要的对称性破缺来源，我们能够在器件层面设计出具有电学非互易性的结构。我们新开发的聚焦离子束纳米雕刻技术，为研究三维和曲面器件几何结构如何实现新型电子功能开辟了广阔的研究空间。”

研究小组负责人徳田芳则（Yoshinori Tokura）补充道：“从更广泛的角度来看，这种方法使得器件设计能够结合拓扑结构或强关联电子态，以及弹道或流体动力学传输机制中的工程曲率。材料物理学与纳米制造技术的融合，预示着功能性器件架构的出现，这些架构可能会对存储、逻辑和传感技术产生影响。”

参考文献：马克斯·T·伯奇（Max T. Birch）、藤代由香子（Yukako Fujishiro）、伊利亚·贝洛波尔斯基（Ilya Belopolski）、茂木正隆（Masataka Mogi）、赵依玲（Yi-Ling Chiew）、李卓霖（Zhuolin Li）、于秀珍（Xiuzhen Yu）、长尾龙（Naoto Nagaosa）、河村实（Minoru Kawamura）及东仓义教（Yoshinori Tokura）所著《具有可切换非互易电子传输特性的磁性外尔半金属纳米雕刻三维螺旋结构》，发表于2026年1月21日《自然·纳米技术》期刊。DOI：10.1038/s41565-025-02104-x