Only Perception: 磁鐵礦創下「電氣開關」速度紀錄

2013-07-30

磁鐵礦創下「電氣開關」速度紀錄

Speed limit set for ultrafast electrical switch
http://phys.org/news/2013-07-limit-ultrafast-electrical.html

Jul 28, 2013

美國能源部 SLAC 國家加速器實驗室的研究者，在磁鐵礦（天然的磁性礦物）中記錄到有史以來最快速的電氣開關（electrical switching）。他們的結果很可能引領微小電晶體（那控制電在矽晶片中的流動）的創新，使更快、更強大的運算裝置成為可能。

科學家使用 SLAC 的直線型加速器同調光源（Linac Coherent Light Source，LCLS）X 光雷射發現，在磁鐵礦樣本中，只需要兆分之一秒的時間就能翻轉電氣開關的 on-off，比目前所用的最快速電晶體還要快上數千倍。這些結果於 7/28 發表在 Nature Materials 期刊上。

"這個突破性研究首度揭露這種材料的電氣開關「速限」，" Roopali Kukreja 表示，一位在 SLAC 與史丹佛大學的材料科學研究者，他是該研究的領導作者。

LCLS 實驗展亦向研究者展現樣本的電子結構如何重新排列成非導電的、由導電區域所環繞的「島嶼（islands）」，那當雷射脈衝轟到樣本數十兆分之一秒（hundreds of quadrillionths）後就開始形成。這項研究證明這種導電與非導電狀態如何能共存以及在次世代電晶體中創造電氣路徑。

科學家首先以一道可見光雷射衝擊每個樣本，那使樣本的電子結構在一個原子的尺度下碎裂、重新排列它以形成島嶼。緊接在雷射轟炸之後的是一道超亮、超短的 X 光脈衝，那讓研究者首度能研究最初雷射轟炸在樣本中所激發的變化細節與時機。

透過稍微調整 X 光脈衝的間隔，他們精確地測得該材料如何從非導電狀態轉變成導電狀態，並觀測到在此切換中的結構變化。

科學家在解開這種原子層次的電氣結構上已經花了數十年的時間，而去年另一組研究團隊已確認其基石為「trimerons（三鐵體）」-- 由三個被鎖在電荷中的鐵原子所形成（譯註：詳見原站圖片）。這項發現在詮釋 LCLS 實驗的結果上，提供了關鍵的洞見。

磁鐵礦得被冷卻到攝氏負 190 度以便將其電荷鎖在定位，所以接下來是研究更複雜的材料與室溫下的應用，Kukreja 表示。未來的實驗將以確認特異組成（exotic compounds）為目標，並測試新技術以誘發「開關」並探索其他優於今日矽電晶體的特性。研究者已在進行後續實驗，聚焦在某種混合材料上，那在接近室溫下展現出類似的超快速開關特性，那使其成為比磁鐵礦更佳的商業化使用候選者。

Hermann Durr（LCLS 實驗的首席研究者以及史丹佛材料與能源科學研究所，-- SIMES -- 資深專任科學家）表示：全球目前都正努力超越現代半導體電晶體，利用新材料來滿足更小、更快電腦的需求，而 LCLS 擁有獨特的能力來追蹤兆分一到千兆分之一秒內，發生在原子尺度下的過程。

雖然我們了解磁鐵礦的基本磁性特性已有數千年之久，但實驗證明使用 LCLS，在磁鐵礦以及其他許多更複雜材料的特異電氣特性上，仍可以學到多少東西，Durr 表示。

※ 相關報導：

＊ Speed limit of the insulator–metal transition in magnetite
http://dx.doi.org/10.1038/nmat3718

S. de Jong, R. Kukreja, C. Trabant, N. Pontius, C. F. Chang,
T. Kachel, M. Beye, F. Sorgenfrei, C. H. Back, B. Brauer,
W. F. Schlotter, J. J. Turner, O. Krupin, M. Doehler,
D. Zhu, M. A. Hossain, A. O. Scherz, D. Fausti, F. Novelli,
M. Esposito, W. S. Lee, Y. D. Chuang, D. H. Lu, R. G. Moore,
M. Yi, M. Trigo, P. Kirchmann, L. Pathey, M. S. Golden,
M. Buchholz, P. Metcalf, F. Parmigiani, W. Wurth,
A. Fohlisch, C. SchuBler-Langeheine, H. A. Durr.
Nature Materials (2013)
doi: 10.1038/nmat3718

＊ Charge order and three-site distortions in the Verwey structure of magnetite
http://www.nature.com/nature/journal/v481/n7380/full/nature10704.html