美研制出新式超导场效应晶体管

2011-4-29 21:32 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网4月28日(北京时间)报道,美国科学家使用自主设计的、精确的原子逐层排列技术,构造出了一个超薄的超导场效应晶体管,以洞悉绝缘材料变成高温超导体的环境细节。发表于当日出版的《自然》杂志上的该突破将使科学家能更好地理解高温超导性,加速无电阻电子设备的研发进程。

  普通绝缘材料铜酸盐在何种情况下从绝缘态跃迁到超导态?这种跃迁发生时,会发生什么?这些问题一直困扰着物理学家。探究这种跃迁的一种方法是,施加外电场来增加或减少该材料中的自由电子浓度,并观察其对材料负载电流能力的影响。但要想在铜酸盐超导体中做到这一点,还需要构建成分始终如一的超薄薄膜以及高达100亿伏/米的电场。

  美国能源部物理学家伊万·博若维奇领导的布鲁克海文薄膜研究小组之前曾使用分子束外延技术制造出这种超导薄膜,该技术在一次制造一个原子层时还能精确控制每层的厚度。他们最近证明,用分子束外延方法制造出的薄膜内,单层酮酸盐能展示出未衰减的高温超导性,他们用该方法制造出了超薄的超导场效应晶体管。

  作为所有现代电子设备基础的标准场效应晶体管内部,一个半导体材料将电流从设备一端的“源”电极运送至另一端的“耗”电极;一个薄的绝缘体则作为第三电极“门”电极负责控制场效应晶体管。当在绝缘体上施加特定的门电压时,该门电极会打开或关闭。但没有已知的绝缘体能对抗诱导该酮酸盐内部高温超导性所需的高电场,因此,标准场效应晶体管的设计并不适用于高温超导场效应晶体管。

  博若维奇团队用一种能导电的液体电解质来分离电荷。当朝电解液施加外电压时,电解质中的正电荷离子朝负电极移动,负电荷离子朝正电极移动,但当到达电极时,离子会突然停止移动,就像撞到“南墙”一样。电极“墙”负载的等量相反电荷之间的电场能超过100亿伏/米。

  新研制的超导场效应晶体管中,高温超导体化合物模型(镧-锶-铜-氧)的临界温度可达30开氏度左右,为其最大值的80%,是以前纪录的10倍。科学家可使用该晶体管来研究与高温超导性有关的物理学基本原理。

  超导场效应晶体管的应用范围很广泛。基于半导体的场效应晶体管能耗大,而超导体没有电阻也无能耗。另外,原子逐层排列制造出的超薄结构也使科学家能更好地使用外电场来控制超导性。

  博若维奇表示,这仅仅只是一个开始,高温超导体还有很多秘密有待探寻,随着其神秘“面纱”逐一揭开,将来能制造出超快节能的高温超导体。