美科學家構造出一個超薄超導場效應晶體管

據報道，美國科學家使用自主設計的、精確的原子逐層排列技術，構造出了一個超薄的超導場效應晶體管，以洞悉絕緣材料變成高溫超導體的環境細節。這種突破將使科學家能更好地理解高溫超導性，加速無電阻電子設備的研發進程。相關研究報告發表在最近出版的 《自然》雜志上

普通絕緣材料銅酸鹽在何種情況下從絕緣態躍遷到超導態？這種躍遷發生時，會發生什么情況？這些問題一直困擾著物理學家。探究這種躍遷的一種方法是，施加外電場來增加或減少該材料中的自由電子濃度，并觀察其對材料負載電流能力的影響。但要在銅酸鹽超導體中做到這一點，還需要構建成分始終如一的超薄薄膜以及高達100億V/m的電場。

美國能源部物理學家伊萬·博若維奇領導的布魯克海文薄膜研究小組之前曾使用分子束外延技術制造出這種超導薄膜，該技術在一次制造一個原子層時還能精確地控制每層的厚度。他們最近證明，用分子束外延方法制造出的薄膜內，單層酮酸鹽能展示出未衰減的高溫超導性，他們用該方法制造出了超薄的超導場效應晶體管。

作為所有現代電子設備基礎的標準場效應晶體管內部，一個半導體材料將電流從設備一端的“源”電極運送至另一端的 “耗”電極；一個薄的絕緣體則作為第三電極 “門”電極負責控制場效應晶體管。當在絕緣體上施加特定的門電壓時，該門電極會打開或關閉。但沒有已知的絕緣體能對抗誘導該酮酸鹽內部高溫超導性所需的高電場，因此，標準場效應晶體管的設計并不適用于高溫超導場效應晶體管。

博若維奇團隊用一種能導電的液體電解質來分離電荷。當朝電解液施加外電壓時，電解質中的正電荷離子朝負電極移動，負電荷離子朝正電極移動，但當到達電極時，離子會突然停止移動，就像撞到 “南墻”一樣。電極 “墻”負載的等量相反電荷之間的電場能超過100億V/m。

在新研制的超導場效應晶體管中，高溫超導體化合物模型 (鑭-鍶-銅-氧)的臨界溫度可達30 K左右，為其最大值的80%，是以前紀錄的10倍。科學家可使用該晶體管來研究與高溫超導性有關的物理學基本原理。

超導場效應晶體管的應用范圍很廣泛。基于半導體的場效應晶體管的能耗大，而超導體沒有電阻也無能耗。另外，原子逐層排列制造出的超薄結構也使科學家能更好地使用外電場來控制超導性。

博若維奇表示，這僅僅只是一個開始，高溫超導體還有很多秘密有待探尋，隨著其神秘 “面紗”的逐一揭開，將來能制造出超快節能的高溫超導體。